یک مطالعه نظری اصول اول در مورد خواص الکترونیکی و نوری ساختارهای GaN دو لایه پیچ خورده

نیترید گالیم (GaN) یک ماده به خوبی بررسی شده است که به دلیل گپ باند گسترده ای که دارد در بسیاری از دستگاه های الکترونیکی قدرت پیشرفته و اپتوالکترونیکی استفاده می شود. با این حال، مشتقات شکل تک لایه آن، مانند ساختارهای دولایه، به ندرت گزارش شده است. ما در اینجا خواص الکترونیکی و نوری ساختارهای دولایه GaN را که با استفاده از روش تئوری تابعی چگالی در صفحه در چندین زاویه بهینه می چرخند، مطالعه می کنیم. برای حفظ ثبات ساختاری و استفاده از اندازه سلول کوچک، زوایای پیچش ساختارهای دولایه GaN با استفاده از تئوری تطبیق کریستال به 27. 8 درجه، 38. 2 درجه و 46. 8 درجه بهینه شده است. تحلیل ساختار نواری نشان می‌دهد که شکاف باند برای سازه‌های پیچ خورده در مقایسه با حالت غیرپیچ‌خورده گسترده‌تر است. نتایج شبیه‌سازی ضریب جذب، ضریب خاموشی، بازتاب‌پذیری و ضریب شکست را در این زوایا ارائه می‌کند. طیف همه این خواص نوری با مقادیر bandgap مطابقت دارد. ضریب شکست شبیه‌سازی‌شده ساختارهای دولایه در تمام زوایای پیچش از جمله ۰ درجه کوچک‌تر از GaN حجیم است که نشان‌دهنده کاهش تلفات پراکندگی برای کاربردهای اپتوالکترونیک است. با توجه به نتایج این تحلیل، کاربردهای ممکن ممکن است شامل دستگاه ها و سیستم های الکترونیکی و نوری یکپارچه کم تلفات باشد.

روی یک دست نوشته کار می کنید؟

معرفی

GaN یک ماده نیمه هادی مرکب معمولی گروه III-V است و به طور گسترده در نیمه هادی های قدرت و دستگاه های نوری استفاده می شود. برای کاربردهای نوری، GaN را می توان به عنوان بستری برای ساخت دیودهای لیزری بنفش (405 نانومتر) استفاده کرد. دیودهای ساطع کننده نور (LED) ساخته شده با GaN می توانند به روشنایی بالایی دست یابند و طیف رنگ های اصلی را پوشش دهند، که در نمایشگرهای LED تمام رنگی قابل مشاهده در روز و LED های سفید قابل استفاده هستند. آرایه های سلول خورشیدی مبتنی بر GaN به دلیل حساسیت کم آنها به پرتوهای یونیزان برای استفاده در ماهواره ها مناسب هستند. در همین حال، دمای کاری و حد ولتاژ ترانزیستورهای GaN بالاتر از ترانزیستورهای آرسنید گالیم (GaAs) است که منجر به کاربردهای زیادی در دستگاه های تقویت کننده توان مایکروویو می شود [1،2،3،4]. GaN همچنین به یکی از مواد مهم برای استفاده در گوشی‌های هوشمند نسل بعدی و فناوری‌های اینترنتی تبدیل شده است، زیرا می‌تواند الزامات قدرت بالا، دمای بالا، ضریب شکست پایین (2. 3 برای GaN در مقایسه با 3. 5 برای GaAs) و دمای عالی را برآورده کند. پایداری ضریب شکست (یک مرتبه بزرگتر از InP).

در مطالعات گذشته گزارش شده است که دستگاه هایی که دارای یک ساختار دو لایه معلق هستند از نظر عملکرد الکترونیکی پیشرفته مزایایی را ارائه می دهند. در واقع ، چنین اشکال دو بعدی (2D) مواد به نظر می رسد ضخامت بسیار نازک تری نسبت به فرم فله داشته و در نتیجه ویژگی های مختلف عملکرد الکترونیکی ، مکانیکی و نوری [5،6،7،8،9،10،11،12، 13،14،15]. این به دلیل تغییر تبلور و اثرات کوانتومی در مواد 2D است. برخی از کارهای قبلی با استفاده از تئوری عملکردی چگالی برای بررسی خصوصیات الکترونیکی مواد 2D انجام شده است [16]. شبیه سازی های اصول اول GAN به عنوان یک نیمه هادی باینری تک لایه III-V نیز گزارش شده است [17]. ساختارهای باند GAN تک لایه ای را می توان از طریق عملکرد شیمیایی [18 ، 19] ، جذب مواد غیر متلالی [20،21،22،23] ، جای خالی [24 ، 25] و دوپینگ [26 ، 27] کنترل کرد. این نتایج نشان داده است که 2D GAN به عنوان یک روند رشد آینده برای دستگاه های نانوالکترونیک با کارایی بالا پتانسیل دارد. از نظر تجربی ، گزارش شده است [28 ، 29] که GAN 2D را می توان با استفاده از تکنیک رشد محصور شده با مهاجرت (MEEG) با استفاده از گرافن اپیتاکسی سنتز کرد. همچنین می توان با استفاده از روش واکنش نیتریداسیون سطح محدود بر روی فلزات مایع رشد کرد [30] ، پتانسیل اجرای GAN 2D را در دستگاه های نانوالکترونیک واقعی نشان می دهد [23]. ساختارهایی که با جمع کردن دو ماده تک لایه از طریق نیروهای ون در وال (VDW) تشکیل شده و چرخاندن یکی از آنها در مقابل دیگری ممکن است ویژگی های جالبی را نشان دهد. اولین مطالعات در این زمینه [31 ، 32] گزارش داد که استفاده از زاویه خاص چرخان/پیچش در گرافن دو لایه منجر به هدایت الکتریکی برتر می شود. در آن کار ، زاویه پیچش می تواند با استفاده از گرافن تولید شده با روش لایه برداری کنترل شود. این مقالات قبلی در مورد تأثیر پیچش در مواد 2D انباشته شده ، محققان را به انجام مطالعات در مورد سایر ساختارهای چند لایه بر اساس مواد مختلف تک لایه ، از جمله ناهمگونی ها ، تحریک کرده است. به طور خاص ، برای 2D GAN ، چنین تحقیقاتی با استفاده از روش اصول اول برای بررسی تأثیر پیچش در دو لایه GAN انجام شده است. مدل دو لایه GAN پیچ خورده ساخته شده و متعاقباً در اینجا مورد تجزیه و تحلیل قرار می گیرد تا خصوصیات الکترونیکی و نوری آن را نشان دهد. این نتایج به امید استفاده از آن در دستگاه های الکترونیکی و اپتوالکترونیک عملی ، به اکتشافات گسترده تر و عمیق تر از GAN تک لایه منجر می شود.

روشهای محاسباتی

The modeling of the bilayer GaN structure is based on the Quantum Atomistix ToolKit simulation tools. The simulations are conducted using density functional theory (DFT). The method of generalized gradient approximation (GGA) with the Perdew–Burke–Ernzerhof (PBE) parameterization at a temperature of 300 K with a mesh cutoff energy of 50 Hartrees and an 11 × 11 × 1 k -point grid are used to optimize all the structures. Considering the influence of the vdW force applied to the bilayers, semiempirical corrections using the Grimme DFT-D2 model are applied to include the long-range van der Waals interaction. A large (>20 Å) فاصله خلاء در امتداد جهت c به سازه اضافه می شود تا از اعمال شرایط مرزی دوره ای در این جهت جلوگیری شود. حداکثر نیروی وارد بر هر اتم برای محاسبات آرامش ساختاری روی 0. 01 eV/Å تنظیم شده است. برای شبیه‌سازی ویژگی‌های الکترونیکی و نوری، از روش متا-GGA TB09 برای فاصله باند، چگالی پیش‌بینی‌شده حالت‌ها و خواص نوری با پارامتر c 76/1 استفاده می‌شود. شکل 1 پارامترهای c محاسبه شده را در برابر فاصله باند محاسبه شده نشان می دهد. مقدار c برای مطابقت با فاصله باند آزمایشی 4. 98 eV که قبلا [28] برای ساختارهای دو لایه (پیچیده نشده) گزارش شده است، محاسبه می شود. تا به امروز هیچ گزارشی در مورد bandgap برای دو تک لایه GaN متصل به vdW وجود ندارد. پیوند vdW تأثیر کمتری بر باند گپ ساختار تک لایه دارد. گزارش شده است که برهمکنش vdW بر خواص نزدیک به سطح فرمی [33] برای ساختارهای ناهمگن با پیوند vdW تأثیر نمی گذارد، که نشان می دهد که شکاف نوار دولایه GaN متصل به vdW باید شبیه به تک لایه باشد. نماهای جانبی ساختار دولایه GaN در شکل 2 نشان داده شده است. از این منظر، ساختار با انباشتن دو لایه از یک سلول 2 بعدی GaN ساخته شده است. شکل 2 همچنین نمای پایینی از ساختارهای مختلف چرخیده را نشان می دهد. زوایای چرخش با توجه به معیارهای تنش بهینه و عدد اتمی و با هدف دستیابی به پایدارترین سازه ها انتخاب می شوند. روش انتخاب زوایای چرخش بهینه قبلا توضیح داده شد [34]. به طور کلی، برای ساختار دولایه پیچ خورده، با افزایش زاویه چرخش، تعداد اتم ها در یک سلول افزایش می یابد. جدول 1 تعداد اتم ها و فاصله باند در هر ساختار را نشان می دهد. با این حال، زمانی که زاویه برابر با 38. 21 درجه باشد، عدد اتم به 56 کاهش می یابد، بسیار کمتر از زاویه چرخش 27. 8 درجه و 46. 8 درجه. همه مدل ها با اتم های هیدروژن غیرفعال می شوند. شکل 3 ساختارهای نواری مدل اتمی و چگالی حالت های پیش بینی شده (PDOS) را برای ساختارهای GaN دولایه با چهار زاویه چرخش نشان می دهد. ساختارهای دولایه به ترتیب دارای شکاف های باند 4. 97 eV، 5. 06 eV، 5. 25 eV و 5. 22 eV برای زوایای 0°، 27. 8°، 38. 2° و 46. 8 درجه هستند که نشان می دهد GaN دولایه خاصیت رسانایی باند پهن معمولی را نشان می دهد. مقادیر bandgap به طور قابل توجهی بزرگتر از مقدار GaN حجیم است. برای همه ساختارها، هم حداکثر باند ظرفیت (VBM) و هم حداقل باند هدایت (CBM) در نقطه Γ رخ می‌دهد، که نشان می‌دهد شکاف باند از نوع مستقیم است. با توجه به نتایج PDOS، VBM اساساً از اوربیتال های N 2 p و H 1 s تشکیل شده است در حالی که CBM ترکیبی از اوربیتال های Ga 3 s , Ga 3 p , N 2 s و H 1 s است، اگرچه Ga 3 pبیشترین سهم را دارد. CBM در اوربیتال های Ga 3 p رخ می دهد در حالی که VBM در N 2 p رخ می دهد. شکل 4 نتایج را برای فاصله باند، CBM و VBM در مقابل زاویه چرخش نشان می دهد. با افزایش زاویه چرخش، فاصله باند ابتدا افزایش می یابد (از 0 درجه به 38. 2 درجه) سپس کمی کاهش می یابد (از 38. 2 درجه به 46. 8 درجه). CBM و VBM با افزایش زاویه چرخش در نقطه G باقی می مانند. با این حال، زمانی که زاویه 27. 8 درجه یا 38. 2 درجه باشد، قدر مطلق CBM بزرگتر از VBM است، که نشان می دهد که سطح فرمی به سمت نوار ظرفیت حرکت می کند.