Alkalimetall-adsorbierte g-GaN-Monoschicht:extrem niedrige Austrittsarbeit und optische Eigenschaften

Hintergrund

Im Vergleich zu herkömmlichen Halbleitermaterialien ist dreidimensionales GaN ein Halbleitermaterial mit großer Bandlücke [1]. Als solche kann es den Betrieb von Geräten bei Ultrahochspannung, -frequenz oder -temperatur ermöglichen und weist eine hohe Lichtausbeute, gute Wärmeleitfähigkeit, hohe Temperaturbeständigkeit, Beständigkeit gegen Säuren und Laugen sowie Anti-Strahlungs-Eigenschaften auf. Als optoelektronisches Material hat dreidimensionales GaN potenzielle Anwendungen im Laserdruck und auf Compact Discs mit hoher Speicherdichte, was die Technologie der Computerspeicherung potenziell stark beeinflusst [2]. In den letzten Jahren haben zweidimensionale (2D) Materialien aufgrund ihrer faszinierenden optischen, mechanischen, elektronischen und magnetischen Eigenschaften und ihres Potenzials für multifunktionale Anwendungen große Aufmerksamkeit erregt [3,4,5,6,7,8,9]. 2D-Materialien sind viel dünner als Massenmaterialien, und die mechanischen, elektronischen, thermischen und optischen Eigenschaften solcher Materialien unterscheiden sich erheblich von denen ihrer Massengegenstücke [10]. Insbesondere ist 2D-GaN ein Material mit großer Bandlücke und verbesserter optoelektronischer Leistung. Erst kürzlich wurde es über eine migrationsverstärkte verkapselte Wachstumstechnik synthetisiert [11].

Die Wechselwirkungen zwischen Atomen auf Festkörperoberflächen zu studieren und zu verstehen ist eines der grundlegenden wissenschaftlichen Probleme der Oberflächenphysik. Daher ist die Kontrolle solcher selbstorganisierender Strukturen für die Entwicklung von Nanovorrichtungen wichtig. Auf einer festen Oberfläche adsorbierte Atome können indirekt durch Elektronenstreuung oder elastische Verzerrung des Substrats wechselwirken, wobei die weitreichende atomare Wechselwirkung, die durch das Substrat moduliert wird, eine wichtige Rolle bei der atomaren Selbstorganisation spielt. Da Alkalimetallatome leicht Elektronen verlieren können, kann die Adsorption von Alkalimetallen an Halbleitermaterialien sie in den n-Typ ändern, was wiederum ihre Austrittsarbeit verringert und ihre optoelektronischen Eigenschaften ändert [12]. In den letzten Jahren haben viele Forschungsgruppen über Studien zu den optoelektronischen Eigenschaften von Alkalimetall-adsorbierten 2D-Materialien berichtet [13,14,15,16,17,18,19,20,21,22,23]. Chan et al. [13] untersuchten die Adsorption von Alkalimetallatomen an Graphen und entdeckten die Verringerung der Austrittsarbeit von Graphen. Jinet al. [14] und Qiao et al. [15] untersuchten die Adsorption von Alkalimetallen an Graphen mit der First-Principles-Methode und fanden heraus, dass die optoelektronischen Eigenschaften von Graphen durch die Adsorption von Alkalimetallen modifiziert werden. In vielen früheren Arbeiten wurde untersucht, dass die elektronischen und magnetischen Eigenschaften von Adatomadsorptionen auf schwarzem und blauem Phosphoren das Phosphorensystem effektiv mit vielseitigen Spintronikeigenschaften funktionalisieren [16,17,18]. Die vollständigen photoelektrischen Eigenschaften von Alkalimetall-adsorbiertem g-GaN sind jedoch noch nicht klar.

In diesem Artikel werden die Bandstrukturen, die Zustandsdichte, die Austrittsarbeit und die optischen Eigenschaften von reinem g-GaN und Alkalimetall-adsorbiertem g-GaN erläutert; Diese Forschung ist potenziell wichtig für die Herstellung von g-GaN-basierten Feldemissions- und optoelektronischen Geräten.

Methoden

Alle Berechnungen werden mit dem Vienna Ab initio Simulation Package basierend auf First-Principles mit Dichtefunktionaltheorie durchgeführt [24]. Zur Beschreibung der Austausch-Korrelations-Wechselwirkung wurde die generalisierte Gradienten-Approximation (GGA) in Form des Perdew-Burke-Ernzerhof (PBE)-Funktionals [25] verwendet. Die GGA-PBE-Methode hat sich für die Oberflächenforschung als sehr effektiv erwiesen [26,27,28,29]. Die kinetische Grenzenergie für den Basissatz der ebenen Welle beträgt 500 eV. In senkrechter Richtung zur g-GaN-Ebene wurde der Vakuumraum auf 20 Å eingestellt. Die Brillouin-Zone wurde durch eine Reihe von k . beschrieben -Punkte in einem 9 × 9 × 1 Raster unter Verwendung des Γ-zentrierten Schemas. Alle Atome sind vollständig entspannt, bis die Hellmann-Feynman-Kräfte kleiner als 10 ^− 4 . waren eV/Å und die Gesamtenergieänderungen wurden kleiner als 10 ^− 4 eV [29].

Die Adsorptionsenergie für die Alkalimetall-adsorbierten g-GaN-Systeme wurde nach der Methode von Cui et al. [12] Nach folgender Gleichung:

wo E _Anzeigen ist die Adsorptionsenergie, E _g-GaN und E _g-GaN:X bezeichnen die Gesamtenergie von reinem g-GaN vor bzw. nach der Alkalimetalladsorption und μ_X ist das chemische Potential eines einzelnen Alkalimetallatoms. Basierend auf dieser Gleichung ist ein negativer Wert von E _Anzeigen bezeichnet eine stabile Struktur.

Der Ladungsdichteunterschied wird beschrieben als

wo ρ _T , ρ _g , und ρ _x sind die Gesamtladung des Alkalimetall-adsorbierten g-GaN, des reinen g-GaN bzw. des Adsorptionsatoms.

Ergebnisse und Diskussionen

Abbildung 1 zeigt das Modell von g-GaN für vier verschiedene Adsorptionsstellen; die T_N befindet sich direkt über dem N-Atom, das T_Ga befindet sich direkt über dem Ga-Atom, dem T_B Die Stelle liegt über der Mitte der N-Ga-Bindung, und das T_M Site befindet sich über der Mitte eines Sechsecks. Das berechnete E _Anzeigen von Alkalimetall-adsorbiertem g-GaN ist in Tabelle 1 aufgeführt. Alle E _Anzeigen an verschiedenen Stellen sind negativ, was zeigt, dass das Verfahren der Alkalimetalladsorption an g-GaN exotherm ist und alle Adsorptionssysteme stabil sind. Diese Ergebnisse ähneln denen, die für Alkalimetall-adsorbierte GaN-Nanodrähte erhalten wurden [12]. Darüber hinaus zeigen die berechneten Ergebnisse, dass die stabilste Position die T_M . ist Seite? ˅; daher beziehen sich die folgenden Diskussionen nur auf die T_M Adsorptionsstelle.

Modell von g-GaN mit verschiedenen Adsorptionsplätzen

Die Gitterparameter von reinem und Alkalimetall-adsorbiertem g-GaN sind in Tabelle 2 gezeigt. Die Gitterparameter von reinem g-GaN betragen 3,254 Å, was in guter Übereinstimmung mit früheren Ergebnissen [30,31,32,33] ist. Darüber hinaus sind die Gitterparameter von Li- oder Na-adsorbiertem g-GaN etwas kleiner als die von reinem g-GaN, während K-, Rb- und Cs-adsorbiertes g-GaN größer sind als die von reinem g-GaN . Interessanterweise nehmen die Gitterparameter von Alkalimetall-adsorbiertem g-GaN mit zunehmender Ordnungszahl der Alkalimetallatome zu. Die Bindungslängen von N-X oder Ga-X sind in Tabelle 2 aufgeführt. Die Bindungslängen von N-X oder Ga-X nehmen mit zunehmender Ordnungszahl der Alkalimetallatome zu. Die Adsorptionshöhe von Alkalimetall-adsorbiertem g-GaN ist in Tabelle 2 gezeigt, was darauf hindeutet, dass die Adsorptionshöhe mit zunehmender Ordnungszahl der Alkalimetallatome zunimmt.

Die Bandstrukturen von reinem und Alkalimetall-adsorbiertem g-GaN sind in Abb. 2 dargestellt. Abbildung 2a zeigt deutlich, dass die Bandstruktur von reinem g-GaN einen halbleitenden Charakter mit einer Bandlücke von 2,1 eV aufweist. Dieses Ergebnis stimmt gut mit früheren Berichten überein [30,31,32,33]. Die Bandstrukturen für Alkalimetall-adsorbiertes g-GaN zeigen jedoch, dass die Fermi-Niveaus in das Leitungsband eingetreten sind, wie in Abb. 2b–f gezeigt; Somit weist das Alkalimetall-adsorbierte g-GaN-System einen metallisierten Charakter auf, wobei eine Lücke bei ungefähr – 1,8 eV unter dem Fermi-Niveau auftritt und die Lücke von Alkalimetall-adsorbiertem g-GaN ungefähr 1,92 eV beträgt. Darüber hinaus wird das g-GaN nach der Adsorption der Alkalimetalle in einen n-Halbleiter umgewandelt, da die Alkalimetalle dazu neigen, Elektronen zu verlieren, was zu einer Aufwärtsverschiebung des Fermi-Niveaus innerhalb des Leitungsbandes führt.

Bandstrukturen für reines und Alkalimetall-adsorbiertes g-GaN:a reines g-GaN, b Li-adsorbiertes g-GaN, c Na-adsorbiertes g-GaN, d K-adsorbiertes g-GaN, e Rb-adsorbiertes g-GaN und f Cs-adsorbiertes g-GaN. Das Fermi-Niveau ist durch grüne gestrichelte Linien gekennzeichnet

Die Gesamtzustandsdichte (TDOS) und die Teilzustandsdichte (PDOS) von reinem und Alkalimetall-adsorbiertem g-GaN sind in Abb. 3 dargestellt. In Abb. 3a zeigt die TDOS von reinem g-GaN, dass es ein Halbleiter, im Einklang mit dem Ergebnis der Bandstruktur. Die PDOS-Rechnungen zeigen, dass das Valenzbandmaximum für reines g-GaN in Übereinstimmung mit den vorherigen Ergebnissen aus den N-2p- und Ga-4p-Orbitalen stammt [34, 35]. Um die Elektronenzustände nahe dem Fermi-Niveau zu verstehen, haben wir die PDOS von Alkalimetall-adsorbiertem g-GaN berechnet. Wie aus Abb. 3b–f ersichtlich, werden die Elektronenzustände in der Nähe des Fermi-Niveaus hauptsächlich von den Ga-4s-, N-2p- und 2s-Orbitalen der Alkalimetalle bestimmt.

Zustandsdichte für reines und Alkalimetall-adsorbiertes g-GaN:a reines g-GaN, b Li-adsorbiertes g-GaN, c Na-adsorbiertes g-GaN, d K-adsorbiertes g-GaN, e Rb-adsorbiertes g-GaN und f Cs-adsorbiertes g-GaN

Der Ladungstransfer ist ein wichtiger Aspekt des Adsorptionssystems. Die Ladungsdichtedifferenz mit einem Isooberflächenwert von 0,002 e/Å ³ für Alkalimetall-adsorbiertes g-GaN ist in Abb. 4 dargestellt. Interessanterweise liegen die Elektronenverteilungen zwischen allen Alkalimetallatomen und den drei unterkoordinierten N-Atomen. Daher wird durch Chemisorption Alkalimetall-adsorbiertes g-GaN gebildet. Darüber hinaus deutet die große Cyan-Region, die auf einem Alkalimetallatom lokalisiert ist, auf einen starken Transfer vom Alkalimetallatom auf g-GaN hin. Die Bader-Ladungsanalyse zeigt, dass es ungefähr 0,8833|e|, 0,7803|e|, 0,7997|e|, 0,7905|e|, 0,7936|e| . gibt Übertragung von Li, Na, K, Rb, Cs auf g-GaN. Somit bestätigten alle obigen Ergebnisse das Bild, dass es sich bei den Wechselwirkungen in Alkalimetall-adsorbiertem g-GaN um Ionenbindungen handelt.

Die Ladungsdichtedifferenz für Alkalimetall-adsorbiertes g-GaN. a g-GaN/Li, b g-GaN/Na, c g-GaN/K, d  g-GaN/Rb, e g-GaN/Cs. Die Magenta- und Cyan-Regionen bezeichnen die Elektronenzunahme bzw. den Elektronenverlust. Der Wert der Isofläche ist auf 0,002 e/Å ³ . festgelegt

Die Austrittsarbeit ist ein kritischer Faktor zum Ausgleich der optoelektronischen Eigenschaften von Materialien. Die Austrittsarbeit von Materialien ist gleich dem Vakuumniveau, das vom Fermi-Niveau abgezogen wird. Um die faszinierende Machbarkeit aufzuzeigen, haben wir die Abstimmung der Austrittsarbeit von g-GaN durch Alkalimetalladsorption untersucht. Abbildung 5 zeigt das Schema der Austrittsarbeit von reinem g-GaN und alkalimetalladsorbiertem g-GaN. Die Austrittsarbeit von reinem g-GaN beträgt 4,21 eV, was etwas größer ist als die von GaN-Nanodrähten [12]. Die Austrittsarbeiten sind 2,47, 1,88, 1,49, 1,29 und 0,84 eV für Li-, Na-, K-, Rb- bzw. Cs-adsorbiertes g-GaN; somit wird die Austrittsarbeit von g-GaN nach der Adsorption eines Alkalimetalladatoms wesentlich verringert. Darüber hinaus sind die Austrittsarbeiten von Alkalimetall-adsorbiertem g-GaN niedriger als die von Alkalimetall-adsorbierten GaN-Nanodrähten [12]. Der Hauptgrund kann auf den Strukturunterschied zwischen GaN-Monoschicht und Nanodrähten zurückzuführen sein. Darüber hinaus zeigt die verringerte Austrittsarbeit, dass das Alkalimetall-adsorbierte g-GaN zur Feldemission von Geräten verwendet werden kann.

Schema der Austrittsarbeit für reines und Alkalimetall-adsorbiertes g-GaN

Als nächstes wenden wir uns der Untersuchung des Einflusses der Alkalimetalladsorption auf die optischen Eigenschaften von g-GaN zu. Optische Eigenschaften von Materialien können durch den Realteil abgebildet werden ε ₁ (ω ) und Imaginärteil ε ₂ (ω ) der dielektrischen Funktion, Absorption a (ω ), refraktiv n (ω ), Reflektivität R (ω ), Energieverlustfunktion L (ω ) und die Extinktionskoeffizientenspektren K (ω ), wie zuvor berichtet [36,37,38,39,40]. Der echte Teil ε ₁ (ω ) als Funktion von ω für reines und Alkalimetall-adsorbiertes g-GaN ist in Abb. 6a gezeigt. Die ε ₁ (0 ) von reinem g-GaN beträgt 1,48 und das ε ₁ (0 ) von Alkalimetall-adsorbiertem g-GaN beträgt 2,33 (Li), 3,13 (Na), 3,56 (K), 3,81 (Rb) und 3,81 (Cs). Die Daten zeigen, dass die ε ₁ (0 ) von Alkalimetall-adsorbiertem g-GaN ist größer als das von reinem g-GaN; daher sind die optischen Eigenschaften von g-GaN hochempfindlich und abstimmbar. Wenn die Energie größer als 15 eV ist, ist die Tendenz für den Realteil des Spektrums außerdem identisch mit derjenigen, die der Adsorption durch verschiedene Alkalimetalle entspricht. Der Imaginärteil ε ₂ (ω ) als Funktion von ω für reines und Alkalimetall-adsorbiertes g-GaN ist in Abb. 6b gezeigt. Zwei schmale Peaks bei 6.18 und 10.76 eV, die aus dem Übergang von N-2p-Elektronen in die s-Zustände der Kationen stammen, werden bei der Alkalimetalladsorption zu niedrigeren Energien verschoben. Darüber hinaus tritt nach der Alkalimetalladsorption ein hoher Peak bei 1,22 eV auf.

Real- und Imaginärteil für reines und Alkalimetall-adsorbiertes g-GaN: a echte Teile, b imaginäre Teile

Abbildung 7 zeigt den Absorptionskoeffizienten und die Brechungsindizes für reines und Alkalimetall-adsorbiertes g-GaN. In Abb. 7a beginnt die Absorptionskante von reinem g-GaN bei 2,77 eV; diese Absorption stammt vom angeregten Elektronenübergang von N-2p-Zuständen, die sich am oberen Ende des Valenzbandes befinden, zu den 2 s-Zuständen des leeren Kations. Das Spektrum von reinem g-GaN zeigt zwei Peaks bei 6,28 und 10,95 eV; diese Peaks zeigen nach der Alkalimetalladsorption eine Rotverschiebung. Außerdem nehmen die Intensitäten der beiden Peaks nach der Alkalimetalladsorption ab. Darüber hinaus tritt nach der Alkalimetalladsorption ein neuer Peak bei 1,61 eV auf, und einige verschiedene Peaks erscheinen bei Energien von mehr als 12,46 eV in den Spektren von K-, Rb- und Cs-adsorbiertem g-GaN. Diese Ergebnisse zeigen, dass die Alkalimetall-adsorbierten g-GaN-Materialien einen breiten Anpassungsbereich in ihren Absorptionsspektren aufweisen. Darüber hinaus stehen die Absorptionskoeffizienten für reines und Alkalimetall-adsorbiertes g-GaN mit dem Imaginärteil und dem Extinktionsindex in Beziehung, wie in den Fig. 1 und 2 gezeigt. 6b und 8c. Wie in Abb. 7b gezeigt, sind die Werte für n (0 ) sind 1,22 (rein), 1,53 (Li), 1,78 (Na), 1,89 (K), 1,99 (Rb) und 1,99 (Cs). Die n (0 )-Werte für reines g-GaN und Alkalimetall-adsorbiertes g-GaN sind etwas niedriger als diejenigen, die für reine GaN-Nanodrähte und Alkalimetall-adsorbierte GaN-Nanodrähte erhalten wurden [12]. Mit steigender Photoenergie erreicht der Brechungsindex von reinem g-GaN einen Maximalwert von ca. 1,65 bei 5,88 eV, während der Brechungsindex von Alkalimetall-adsorbiertem g-GaN einen Maximalwert von ca. 1,75–2,25 bei 0,7–2 . erreicht eV. Darüber hinaus erreichen die Brechungsindizes von reinem g-GaN und Alkalimetall-adsorbiertem g-GaN einen Mindestwert von etwa 11,41 eV. Schließlich bleiben die Brechungsindizes mit einem Wert von 0,91 unverändert, wenn die Photoenergie größer als 15 eV ist.

Absorptionskoeffizient und Brechungsindizes für reines und Alkalimetall-adsorbiertes g-GaN: a Absorptionskoeffizient, b Brechungsindizes

Reflektivitätskoeffizient, Verlustenergiefunktion und Extinktionskoeffizient für reines und Alkalimetall-adsorbiertes g-GaN:a Reflektivitätskoeffizient, b Verlustenergiefunktion, c Extinktionskoeffizient 

Der Reflexionskoeffizient R (ω ) für reines und Alkalimetall-adsorbiertes g-GaN ist in Abb. 8a dargestellt. Ein starker Reflexionspeak liegt bei 11,3 eV für reines g-GaN; jedoch nimmt die Peakintensität nach der Alkalimetalladsorption ab. Darüber hinaus tritt im niederenergetischen Bereich (0–2,5 eV) ein neuer Reflexionspeak auf, der darauf hindeutet, dass das Reflexionsspektrum nach der Alkalimetalladsorption erweitert wird. Die Energieverlustfunktion L (ω ) für reines und Alkalimetall-adsorbiertes g-GaN ist in Abb. 8b gezeigt; die Daten zeigen, dass der prominenteste Peak für reines g-GaN bei etwa 11,57 eV liegt, während der prominenteste Peak für Alkalimetall-adsorbiertes g-GaN bei 11,12 eV auftritt. Die Peakintensität für das Alkalimetall-adsorbierte g-GaN ist niedriger als die für das reine g-GaN; daher ist der Energieverlust für die Elektronenübertragung in Alkalimetall-adsorbiertem g-GaN langsamer. Außerdem ist das Alkalimetall-adsorbierte g-GaN eine stabile Verbindung. Der Extinktionskoeffizient K (ω ) von reinem und Alkalimetall-adsorbiertem g-GaN ist in Abb. 8c gezeigt. Der Extinktionskoeffizient für das Alkalimetall-adsorbierte g-GaN ist ähnlich dem Reflektivitätskoeffizienten. Somit können die optischen Eigenschaften von g-GaN über die Adsorption von Alkalimetallatomen abgestimmt werden, was für die Herstellung optoelektronischer Bauelemente nützlich ist.

Schlussfolgerungen

Die elektronischen und optischen Eigenschaften von Alkalimetall-adsorbierten g-GaN-Systemen wurden mit Hilfe der Dichtefunktionaltheorie untersucht. Die Ergebnisse werden wie folgt zusammengefasst:(1) Alle Alkalimetall-adsorbierten g-GaN sind ziemlich stabil, wobei die stabilste Adsorptionsstelle die T_M . ist Seite? ˅. (2) Die Adsorption von Alkalimetallatomen an g-GaN erfolgt durch Chemisorption. (3) Ein n-Dotierungsverhalten findet sich in g-GaN nach der Adsorption von Alkalimetall-Adatomen. (4) Die Austrittsarbeit von g-GaN wird nach der Alkalimetalladsorption erheblich reduziert, wobei das Cs-adsorbierte g-GaN-System eine minimale Austrittsarbeit von nur 0,84 eV aufweist, daher hat das Cs-adsorbierte g-GaN-System potenzielle Anwendungsmöglichkeiten in Feldemissionsgeräten. (5) Die Alkalimetalladsorption kann zu einer Erhöhung der statischen Dielektrizitätskonstanten führen und das Absorptionsspektrum von g-GaN erweitern. Folglich kann die Adsorption von Alkalimetallen verwendet werden, um die optoelektronischen Eigenschaften von g-GaN zu dekorieren und zu vergrößern, das zur Herstellung photoelektrischer Bauelemente verwendet werden kann.

Abkürzungen

2D:

Zweidimensional

GGA:

Verallgemeinerte Gradienten-Approximation

g-GaN:

Graphenähnliches Galliumnitrid

PBE:

Perdew-Burke-Ernzerhof

PDOS:

Partielle Zustandsdichte

TDOS:

Gesamtdichte der Staaten