Kỹ thuật điều chỉnh các đặc tính điện tử của đơn lớp ZnGeN2 hai chiều bằng điện trường và biến dạng

Bài viết "Kỹ thuật điều chỉnh các đặc tính điện tử của đơn lớp ZnGeN2 hai chiều bằng điện trường và biến dạng" nghiên cứu các đặc tính cấu trúc và điện tử của vật liệu hai chiều đơn lớp ZnGeN2 và ảnh hưởng của biến dạng và điện trường đến các tính chất đó. Đơn lớp ZnGeN2 là một cấu trúc ổn định về mặt động lực học ở nhiệt độ phòng. Mời các bạn cùng tham khảo!
Nội dung trích xuất từ tài liệu:
Kỹ thuật điều chỉnh các đặc tính điện tử của đơn lớp ZnGeN2 hai chiều bằng điện trường và biến dạng Kỹ thuật điều chỉnh các đặc tính điện tử của đơn lớp ZnGeN2 hai chiều bằng điện trường và biến dạng Pham Dinh Khang1, Hoang Van Ngoc1 1 Viện Phát triển Ứng dụng, Đại học Thủ Dầu Một, Binh Duong Province, Vietnam. E-mail: ngochv@tdmu.edu.vn TÓM TẮT: Trong nghiên cứu này, bằng các phép tính nguyên tắc đầu tiên, chúng tôi đã nghiên cứu các đặc tính cấu trúc và điện tử của vật liệu hai chiều đơn lớp ZnGeN2 và ảnh hưởng của biến dạng và điện trường đến các tính chất đó. Đơn lớp ZnGeN2 là một cấu trúc ổn định về mặt động lực học ở nhiệt độ phòng. Ở trạng thái cơ bản, đơn lớp ZnGeN2 sở hữu tính chất bán dẫn với độ rộng vùng cấm xiên được tính toán bằng 1,73/2,96 eV khi sử dụng các phương pháp PBE/HSE06. Thêm vào đó, các đặc tính điện tử của đơn lớp ZnGeN2 có thể được điều khiển bằng kỹ thuật biến dạng và điện trường. Cả biến dạng hai trục và biến dạng một trục đều gây ra sự thay đổi độ rộng vùng cấm và dẫn đến sự chuyển đổi từ chất bán dẫn sang kim loại và từ vùng cấm xiên sang thẳng. Trong khi đó, điện trường làm giảm độ rộng vùng cấm và gây ra quá trình chuyển đổi kim loại - bán dẫn. Phát hiện của chúng tôi cho thấy đơn lớp ZnGeN2 là ứng cử viên rất hứa hẹn cho các thiết bị nano đa chức năng hiệu suất cao. TỪ KHÓA: tính toán DFT, đơn lớp ZnGeN2, tính chất điện tử, điện trường, biến dạng ABSTRACT: In this work, by first-principles calculations, we investigate the structural and electronic properties of a two-dimensional ZnGeN2 layer as well as the effects of strains and electric fields. The ZnGeN2 monolayer is known to be a dynamically stable structure at room temperature. In the ground state, the ZnGeN2 monolayer possesses semiconductor characters with an indirect band gap of 1.73/2.96 eV obtained by PBE/HSE06 calculations. Furthermore, the electronic properties of the ZnGeN2 monolayer can be controlled by strain and electric field engineering. Both biaxial and uniaxial strain give rise to a band gap change and lead to the transition from semiconductor to metal and from indirect to direct band gap. While the electric field leads to a decrease in the band gap and gives rise to the metal-semiconductor transition. Our findings suggest that the ZnGeN2 monolayer is a promising candidate for high-performance multifunctional nanodevices. KΕWORDS: DFT calculation, gas adsorption, ZnGeN2 monolayer, electronic properties, gas sensor. 28 1. GIỚI THIỆU Các vật liệu hai chiều (2D) tựa graphene [1] và graphene [2, 3] đã nhận được sự quan tâm nghiên cứu rộng rãi nhờ vào các tính chất hấp dẫn của chúng và các ứng dụng tiềm năng trên nhiều lĩnh vực. Graphene là một trong những vật liệu 2D hấp dẫn nhất vì các đặc tính tuyệt vời của nó, bao gồm phổ điện tử đặc biệt [4] và hiệu ứng Hall lượng tử [5]. Tuy nhiên, graphene [6] không có vùng cấm trong cấu trúc điện tử, khiến nó không phù hợp để chế tạo các thiết bị mạch tích hợp. Để khắc phục nhược điểm này của graphene, một vùng cấm trong graphene có thể được mở bằng các cách kỹ thuật khác khác nhau như sử dụng chất pha tạp, sử dụng điện trường hoặc biến dạng. Một phương hướng khác là tìm kiếm các vật liệu 2D mới. Hiện tại, rất nhiều vật liệu 2D đã được phát hiện bằng thực nghiệm hoặc được dự đoán bằng phương pháp lý thuyết, chẳng hạn như họ dichalcogenides kim loại chuyển tiếp 2D (TMDCs) [7–12], các chất tựa phosphorene [13–15], các nitrua cacbon graphit (g-CN) [16, 17] và nhiều loại vật liệu 2D khác [18 –24]. Kế tiếp cho việc khám phá ra các vật liệu 2D mới, các nhà khoa học nỗ lực xác định các đặc tính vật lý và hóa học đặc biệt của chúng. Chẳng hạn, Wang và các cộng sự [25] đã nghiên cứu các đặc tính vật lý và hóa học của các TMDC 2D cũng như các đặc tính có thể điều chỉnh của chúng theo các phương pháp khác nhau, bao gồm biến dạng, xen phủ và điện trường. Bằng các phép tính nguyên tắc đầu tiên, Gomes và các cộng sự [26] đã nghiên cứu các đặc điểm cấu trúc, điện tử và quang học của các monochalcogenide nhóm IV giống như phosphoren. Họ đã chứng minh rằng những vật liệu 2D này là ứng cử viên đầy hứa hẹn cho quang điện tử và spintronics. Do sở hữu những đặc tính đặc biệt được mô tả ở trên, vật liệu 2D có thể được sử dụng cho nhiều ứng dụng trong tương lai, chẳng hạn như quang điện tử, điện tử nano và quang xúc tác. Gần đây, rất nhiều vật liệu nitrit nhóm bậc ba II-IV khác nhau bao gồm các nguyên tố có nhiều trong đất đã nhận được sự quan tâm đáng kể do các đặc tính điện tử thuận lợi của chúng và chúng có thể thân thiện với môi trường [27, 28]. Kẽm-gecmaninitride (ZnGeN2) là một thành viên của họ nhóm II-IV-N2 đã thu hút nhiều sự chú ý. Tinh thể nguyên tử của ZnGeN2 có nguồn gốc từ nhóm III-nitride, trong đó các ion Zn và Ge được sử dụng để thay thế các ion nhóm III. Vật liệu ZnGeN2 rất giống với GaN [29], do đó, nó có thể được coi là một ứng cử viên đầy hứa hẹn cho các ứng dụng quang điện tử. Cho đến nay, các đặc tính cấu trúc và điện tử của đơn lớp ZnGeN2 vẫn chưa được khám phá nhiều. Do đó, trong công trình này, chúng tôi đã sử dụng các tính toán từ các nguyên lý đầu tiên dựa trên lý thuyết hàm mật độ để khảo sát các đặc tính cấu trúc và điện tử của đơn lớp ZnGeN2, cũng như ảnh hưởng của kỹ thuật biến dạng và điện trường đến các tính chất đó. 2. PHƯƠNG PHÁP TÍNH TOÁN Các tính toán về đặc tính cấu trúc và điện tử được thực hiện bằng các phép tính nguyên tắc đầu tiên dựa trên lý thuyết hàm mật độ (DFT) trong gói mô phỏng Quantum Espresso [30, 31]. Hàm Perdew-Burke-Ernzerhof (PBE) được sử dụng để mô tả năng lượng tương quan-trao đổi trong phép xấp xỉ gradient tổng quát (GGA [32]). Năng lượng ion-điện tử được mô tả bằng giả thế sóng tăng cường PAW [33]. Năng lượng cắt cho hàm sóng được đặt là 510 eV. Ng ...