Tuning von 2D GeP₃-Halbleitern: Wie Valenzelektronen von Dotierstoffen elektronische Eigenschaften formen

Zusammenfassung

Mithilfe von First-Principle-Berechnungen innerhalb der Dichtefunktionaltheorie untersuchen wir die elektronischen Eigenschaften und Stabilität von substitutional dotiertem 2D GeP₃-Monolayer mit Dotierstoffen von Gruppe III bis VI. Die Leitfähigkeitseigenschaften werden dramatisch sowohl durch die Dotierpositionen als auch durch die Anzahl der Valenzelektronen der Dotierstoffe modifiziert. Spezifisch zeigt Substitution an der Ge-Position Metall-Halbleiter-Oszillationen als Funktion der Valenzelektronenzahl der Dotierstoffe, während solche Oszillationen bei Substitution an der P-Position vollständig umgekehrt sind. Zudem untersuchen wir den Fall der Co-Dotierung in GeP₃, wobei sich zeigt, dass Co-Dotierung ein logisches „UND“-Phänomen erzeugen kann, d.h., die Leitfähigkeitseigenschaften von co-dotiertem GeP₃ können durch eine einfache logische Relation aus den Ergebnissen der Einzeldotierung abgeleitet werden. Schließlich untersuchen wir die Bildungsenergie der Dotierstoffe und finden, dass Elektron-Loch- und Loch-Loch-co-dotierte Systeme energetisch viel günstiger sind aufgrund der Coulomb-Anziehung. Unsere Ergebnisse präsentieren nicht nur ein umfassendes Verständnis des 2D-Dotierphänomens, sondern schlagen auch einen faszinierenden Weg vor, die elektronischen Eigenschaften von 2D-binären Halbleitern zu tunen.

Einleitung

Seit der Entdeckung von Graphen hat die Familie zweidimensionaler (2D) Kristalle wie Übergangsmetall-Dichalkogenide (TMDs), Silicen, Germanen, Phosphoren, Telluren usw. große Aufmerksamkeit aufgrund ihrer einzigartigen elektrischen, optischen und magnetischen Eigenschaften erregt. Zum Beispiel verhält sich Graphen wie masselose Dirac-Fermionen, was ultimative hohe Ladungsträgermobilität ergibt. Daher ist es vielversprechend für den 2D-Quanten-Spin-Hall-Effekt, verbesserte Thermoelektrizität, Supraleitung und sogar den Quanten-anomalen-Hall-Effekt. Kombiniert mit der wachsenden Anzahl verfügbarer Kristallstruktur-Datenbanken wurden moderne computergestützte Werkzeuge genutzt, um neu unentdeckte 2D-Materialien zu erforschen. Bis jetzt sind mehr als 1000 2D-Materialien vorhergesagt und einige davon experimentell gefertigt, was ein interessantes Feld in physikalischer, chemischer und Materialwissenschaft darstellt. Solche fundamentalen Studien und Erkundungen von 2D-Materialien fördern auch ihr großes Potenzial für Anwendungen im Sensorenbereich.

Kürzlich berichteten Jing et al. über neues 2D-Material GeP₃-Monolayer, das höhere chemische Stabilität als BP-Monolayer besitzt und ausgezeichnete elektronische und optische Eigenschaften aufweist. Zudem erscheint das 2D GeP₃-Monolayer aufgrund starker interlayer Quantenkonfinierung halbleitend. Sie fanden, dass das GeP₃-Monolayer einen moderaten und einstellbaren Bandabstand von etwa 0,55 eV aufweist. Basierend auf hoher Kapazität und guter zyklischer Stabilität wird GeP₃-Dünnfilm als vielversprechender Anode für Lithium-Ionen-Batterien vorgeschlagen. Li et al. untersuchten auch GeP₃-Nanobänder und entdeckten, dass Bandabstände sogar-ungerade Oszillationen mit Breitenzunahme aufweisen können.

Dotierung ist eine praktische Strategie, um die elektronischen und magnetischen Eigenschaften von 2D-Schichtmaterialien fundamental abzustimmen. Außerdem durchbricht sie die Limitation eines einzelnen Materials in Anwendungen vieler Felder und Geräte. Wie wir wissen, kann 2D-Monolayer-Halbleiter bemerkenswert verstärkte Elektron-Elektron-Wechselwirkungen ergeben, die gezeigt haben, große Bandabstands-Renormierung und Exzitonen sowohl aus Vielteilchen-Theorie als auch Experimenten zu generieren. Verglichen mit Dotierung in Bulk-Halbleitern wird Dotierung in 2D auch erwartet, einige anomale Verhaltensweisen aufgrund des starken Elektroneneinschlusseffekts zu zeigen, z.B. Graphen dotiert mit Bor oder Stickstoff kann einen kleinen Bandabstand am Dirac-Punkt öffnen, und der Bandabstand von Graphen kann auch effektiv um K (oder K') Punkte durch Einführung kleiner BN-Domänen geöffnet werden. Bandabstände von schwarzem Phosphoren zeigen oszillierendes Verhalten durch Dotierung verschiedener Elemente mit gerader oder ungerader Valenzelektronenzahl. In dieser Arbeit versuchen wir, die Untersuchung von Dotierungselementen der Gruppen IV-V in 2D-binärem GeP₃-Monolayer-Halbleiter zu erweitern.

Hier führten wir systematische Studien des substitutional dotierten GeP₃-Monolayers mit Dotierstoffen von Gruppe III bis VI durch. Die elektronischen Eigenschaften der dotierten Systeme werden dramatisch sowohl durch die Anzahl der Valenzelektronen der Dotierstoffe als auch durch die Dotierpositionen beeinflusst. Die Kernpunkte sind: (1) für einzelnen Dotierstoff hängen die Ergebnisse empfindlich von den Substitutionspositionen ab, und Substitution an zwei Arten von Dotierpositionen wird völlig inverse Ergebnisse produzieren. (2) Die Leitfähigkeitseigenschaften von Co-Dotierung können durch einen logischen Operator durch die der einzelnen Dotierstoffe abgeleitet werden. Zusätzlich deutet die berechnete Bildungsenergie verschiedener Dotierungstypen darauf hin, dass einige von ihnen energetisch hoch günstig gegen thermische Fluktuation sind.

Berechnungsmethoden

Alle unsere Dichtefunktionaltheorie-Berechnungen innerhalb der allgemeinen Gradientenapproximation werden mit dem Vienna ab initio Simulation Package durchgeführt. Die Austausch- und Korrelationsterme wurden mit dem Perdew-Burke-Ernzerhof (PBE) Funktional beschrieben, und das projektoraugmentierte Wellenpotential wurde verwendet, um die Elektron-Ion-Wechselwirkung zu beschreiben. Das dotierte GeP₃-Monolayer wurde in einer periodischen 2×2-Superzelle mit 32 Atomen modelliert, und eine größere 3×3-Superzelle wurde auch verwendet, um unsere Ergebnisse zu prüfen. Ein Vakuumraum von etwa 20 Å entlang der z-Richtung wurde adoptiert, um die Wechselwirkung zwischen benachbarten Schichten zu eliminieren. Für die Einzeldotierung wurde ein Ge- oder P-Atom durch einen Dotierstoff von Gruppe III (IV, V und VI) substituiert. Die geometrischen Strukturen werden durch Vergleich mit den berichteten Ergebnissen bestimmt, einschließlich Gitterkonstante und elektronischer Eigenschaft des reinen GeP₃-Monolayers. In den Dotiersystemen dürfen alle Atome in den Superzellen relaxieren, bis die Hellmann-Feynman-Kraft weniger als 0,02 eVÅ⁻¹ beträgt, aber die Gitterkonstanten der Oberflächenzellen werden während der Atomrelaxation fixiert. Eine kinetische Energieabschneidung von etwa 600 eV und 6×6×1 k-Meshes wurden jeweils verwendet.

Um die Verfügbarkeit der Dotierstoffe im GeP₃-Monolayer zu prüfen, wird die Bildungsenergie (E_f) der Dotierstoffe X (X = Gruppe III-VI) gemäß den folgenden zwei Formeln berechnet. Für einzelnen Dotierstoff haben wir: E_f(GeP₃:X) = E(GeP₃:X) - E(GeP₃) - E_X + E_i (1) und für das Co-Dotierungssystem wird eine ähnliche Formel verwendet: E_f(GeP₃:XY) = E(GeP₃:XY) - E(GeP₃) - E_X - E_Y + E_i + E_j (2), wobei E_f(GeP₃:X) und E(GeP₃) die Gesamtenergien des X-dotierten und intrinsischen GeP₃-Monolayers mit der gleichen Superzelle sind. E(GeP₃:XY) ist die Gesamtenergie des XY-co-dotierten Systems, E_X und E_Y sind die Atomenergien der Dotierstoffe X oder Y bezogen auf ihre entsprechenden Bulk-Strukturen, und E_i, E_j sind die Energien der substituierten Atome, wobei i und j das Ge- bzw. P-Atom anzeigen.

Ergebnisse und Diskussionen

Gerade-Ungerade-Oszillationen für Einzelelement-Dotierungssysteme

Abbildung 1a zeigt die Drauf- und Seitenansicht der Struktur der GeP₃ 2×2-Superzelle, und Abb. 1b ist die entsprechende 2D-Brillouin-Zone des GeP₃-Monolayers. Die optimierten Gitterkonstanten des GeP₃-Monolayers sind a=b=6,96 Å, und der berechnete Bandabstand beträgt etwa 0,26 eV, was in guter Übereinstimmung mit anderen theoretischen Berechnungen steht.

Zunächst zeichneten wir die Bandstrukturen von Einzelelement-dotiertem GeP₃-Monolayer mit substituiertem Ge-Atom (hier wählen wir B, C, N, O, Al, Si, P, S, Ga, As und Se als Dotierstoffe). Die Ergebnisse sind in Abb. 2a-l gezeigt. Man sieht deutlich, dass das Fermi-Niveau nach oben verschoben wird und die Leitungsbänder für Gruppe V (N, P, As) aufgrund eines zusätzlichen Elektrons kreuzt, während es für Gruppe III (B, Al, Ga) Dotierstoffe aufgrund eines fehlenden Elektrons nach unten verschoben wird und die Valenzbänder kreuzt. Zum Beispiel entspricht in Abb. 2f und j ihr Valenzbandmaximum gerade den teilweise besetzten Bändern in Abb. 2e und i. Für Gruppe IV (C, Si, Ge) und VI (O, S, Se) Dotierstoffe zeigen die Systeme jedoch Halbleitereigenschaften, da sie die gleiche oder zwei mehr Elektronen als Ge-Atom haben. Solche Abstimmung von halbleitend zu metallischem Übergang resultiert aus der Besetzung der Valenzelektronenzahl, nämlich ungerade (gerade) Valenzelektronen-Besetzung führt zu metallischen (halbleitenden) Eigenschaften.

Um die Gültigkeit der oben aus PBE-Funktionalen abgeleiteten Ergebnisse zu bestätigen, verwenden wir auch das hybride Dichtefunktional (HSE06), um die dotierten Systeme der obersten Reihe zu prüfen. Es ist klar, dass PBE-Funktionale tatsächlich Fehler bei Bandabständen aufgrund von Unterschätzung machen. In unseren untersuchten Systemen haben jedoch alle von ihnen beträchtliche Lücken, was bedeutet, dass die Fehler zwischen metallischen oder halbleitenden Eigenschaften, verursacht durch PBE-Funktionale, normalerweise nicht auftreten werden (dies ist der Fall, weil in einigen kleinen Bandabständen von Halbleitern PBE-Funktionale normalerweise den Fehler zwischen leitenden und metallischen Eigenschaften hervorrufen). Zudem betrifft unsere Studie die metallischen oder halbleitenden Charakteristika, nicht die spezifischen Werte der Bandabstände. Im Vergleich zu den aus PBE-Funktionalen abgeleiteten Lücken vergrößern sich die Lücken aus HSE06-Funktionalen deutlich. Selbst mit diesen bleiben die Metall-Halbleiter-Oszillationen intakt. Daher sind die Kernaussagen, basierend auf PBE-Funktionalen, zuverlässig.

Im scharfen Kontrast dazu sind die Fälle der Substitution von P-Atomen durch die gleichen Dotierstoffe vollständig umgekehrt, wie in Abb. 3a-l gezeigt. Das heißt, für Gruppe V (N, As) und Gruppe III (B, Al, Ga) Dotierstoffe bleiben die dotierten Systeme halbleitend, während für Gruppe IV (C, Si, Ge) und VI (O, S, Se) Dotierstoffe diese zu metallischen Merkmalen wechseln (hier wird der gleiche Trend auch zwischen PBE und HSE06 Funktionalen gefunden). Dies liegt daran, dass die Valenzelektronen gleich (zwei weniger) bleiben wie das intrinsische GeP₃ für Gruppe V (Gruppe III) Dotierstoffe, aber ein Elektron weniger (mehr) für Gruppe IV (VI) Dotierstoffe.

Um die Oszillationen der halbleitend-metallischen Eigenschaften-Übergänge besser darzustellen, zeichneten wir den Änderungsverlauf des Bandabstands bei verschiedenen Dotierstoffen, wie in Abb. 4a und b gezeigt. Deutlich sehen wir, dass der Übergang von halbleitend zu metallischen Eigenschaften drastisch umgekehrt ist. Speziell treten metallische (halbleitende) – halbleitende (metallische) Oszillationen bei Substitution der Ge- (P-) Position auf, während die Dotierstoffe von Gruppe III bis VI reichen. Daneben fanden wir auch ein interessantes Phänomen, das zeigt, dass die Größe des Bandabstands nahezu gleich dem intrinsischen GeP₃-Monolayer bleibt, wenn die Dotierstoffe die gleichen Valenzelektronen wie das Ge-Atom haben. Wenn die Dotierstoffe jedoch zwei mehr Elektronen als das Ge-Atom haben, ändert sich die Größe der Bandabstände relativ stärker. Dennoch ändert sich für Dotierstoffe an P-Positionen, unabhängig von der Valenzelektronenzahl, die Größe der Bandabstände immer relativ stark. Dies kann durch den gemeinsamen Effekt von Atomradius und verfügbaren Valenzelektronen verstanden werden, nämlich Dotierstoffe mit nahezu gleichem (kleinerem oder größerem) Radius und Valenzelektronen wie (als) Ge-Atom verursachen relativ kleinere (größere) Effekte auf elektronische Eigenschaften wie den Bandabstand. Das bedeutet, dass man nicht nur die Oszillationen der halbleitend-metallischen Übergänge, sondern auch die Größe des Bandabstands durch Wahl geeigneter Dotierstoffe und verschiedener Dotierpositionen abstimmen kann.

Um das Ändern der elektronischen Strukturen verschiedener Dotierstoffe im GeP₃-Monolayer zu verstehen, zeichneten wir die partielle Zustandsdichte (PDOS) von intrinsischen und dotierten Gruppe IV-V in GeP₃-Monolayer, wie in Abb. 5a-d gezeigt. Man sieht deutlich, dass das Valenzbandmaximum (VBM) und Leitungsbandminimum (CBM) des GeP₃-Monolayers hauptsächlich von p-Orbitalen sowohl von Ge- als auch P-Atomen stammen. Wenn Dotierstoffe mit der gleichen Valenzelektronenzahl wie Ge-Atom, wie C und Si, verfügbar sind, werden Verunreinigungszustände gerade über dem VBM des intrinsischen GeP₃-Monolayers liegen, weil das p-Orbitalenergieniveau von C und Si höher ist als das des P-Atoms (siehe Abb. 5a). Daher bleibt die leitende Eigenschaft intakt und die Änderung der Bandabstandsgröße ist relativ klein. Wenn Dotierstoffe jedoch ein Elektron mehr als Ge-Atom haben, wie N, P und As, wird es auch Verunreinigungszustände im Bandabstand geben, und die Verunreinigungszustände stammen aus der Hybridisierung von aufspaltendem CBM (dominant) und Zuständen der Dotierstoffe (siehe Abb. 5b).

Im Gegensatz dazu, für Dotierung an der P-Position, wenn Dotierstoffe ein Valenzelektron weniger als das P-Atom haben, wie Gruppe IV, wird es Verunreinigungszustände über das Fermi-Niveau geben, und die Verunreinigungszustände bestehen aus aufspaltendem VBM (dominant) und Zuständen der Dotierstoffe. Während, wenn Dotierstoffe die gleiche Valenzelektronenzahl wie P-Atom haben, wie Gruppe V, die dotierten Systeme immer noch eine halbleitende Charakteristik behalten (siehe Abb. 5c). Die Bandabstände werden relativ größer als der des intrinsischen GeP₃-Monolayers aufgrund des größeren Gitterkonstanten-Mismatches. Zudem beobachteten wir, dass der Bandabstand des N-Dotierstoffs größer ist als der des As-Dotierstoffs bei Substitution von P-Atomen. Dies liegt daran, dass das p-Orbitalenergieniveau des As-Atoms höher ist als das des N-Atoms, somit der höhere p-Orbitalenergieniveau, desto mehr der Aufwärtsversatz der Verunreinigungszustände weg vom VBM (siehe Abb. 5d).

Logische Relationen für Co-Dotierungssysteme

Auf Basis der obigen Ergebnisse der einzelnen verschiedenen Dotierstoffe können wir daher Co-Dotierungssysteme entwerfen, um die elektronischen Eigenschaften zu erfüllen, die wir wollen. Hier zeigen wir nur die Ergebnisse von B, C, N und O als Beispiele, um den Co-Dotierungseffekt zu illustrieren, aber die Schlussfolgerung ist robust gegen verschiedene ausgewählte Dotierstoffe. Zum Beispiel bei Ge-Position Co-Dotierung können beide zwei Dotierstoffe mit einem Valenzelektron weniger natürlich zu halbleitender Eigenschaft führen, während für zwei Dotierstoffe mit einem weniger und mehr Valenzelektronen die Co-Dotierungssysteme somit auch eine halbleitende Eigenschaft haben können.

Für zwei Dotierstoffe mit einem weniger (mehr) und der gleichen Valenzelektronenzahl behalten die Co-Dotierungssysteme jedoch die metallische Eigenschaft bei, wie ein weniger (mehr) Valenzelektron-Dotierstoff resultierende Eigenschaft. Vereinfacht wird diese Idee genau durch unsere weiteren Dichtefunktionaltheorie (DFT) Berechnungen von co-dotierten Systemen bestätigt, siehe Ergebnisse in Abb. 6a-l für die Bandstrukturen von B, C, N und O co-dotiertem GeP₃-Monolayer.

Nun können wir eine beispielhafte logische Operation „UND“ geben, metallische Eigenschaft als „M“ und halbleitende Charakteristik als „S“ setzend. Wir definieren die logischen Relationen: M UND M = S, S UND S = S, und M UND S = M, jeweils. Hierin gehorchen die oben erhaltenen Befunde solchen logischen Relationen, zum Beispiel resultieren Dotierstoffe mit einem mehr und einem weniger Valenzelektron in metallischer Eigenschaft, aber wenn wir die zwei Dotierstoffe als Co-Dotierung verwenden, wie B und N an Ge-Positionen wie in Abb. 7a und b gezeigt, werden die co-dotierten Systeme halbleitend wie erwartet (siehe Abb. 6c). Wenn wir B-C co-dotiertes GeP₃-Monolayer-System wählen, präsentiert es metallisches Merkmal, was der Fall von M UND S ist (siehe Abb. 4a, b). Dasselbe gilt für C-N, N-O und B-O Atome Co-Dotierung in GeP₃, substituierend zwei Ge-Atome, zwei P-Atome oder ein Ge- und P-Atom, wie in Abb. 7c-f gezeigt.

Schließlich prüften wir die Stabilität sowohl der einzelelement-dotierten Systeme als auch der co-dotierten Systeme, um sicherzustellen, ob sie weiter im Experiment realisiert werden können. Die Bildungsenergie wird mit den Gleichungen (1) und (2) für Einzeldotierung und Co-Dotierung berechnet. Die Ergebnisse sind in Abb. 8a-e präsentiert. Aus Abb. 8a und b sehen wir deutlich, dass die E_f der einzelnen Dotierstoffe an Ge-Positionen alle nahe an der von GeP₃-Monolayer liegen (auf Null als Referenzpunkt gesetzt), außer C, N und S Atomen. Wir bemerkten auch, dass für Dotierstoffe B, O, P, Ge und Se Atome die Bildungsenergien viel kleiner sind als andere Dotierstoffe, was anzeigt, dass sie sehr leicht für Dotierung im Experiment sind. Für Dotierstoffe an P-Positionen haben Dotierstoffe B, O, P und Ge Atome relativ kleinere Bildungsenergie und sind auch leicht für Dotierung. C, N, Al und Ga sind nicht leicht für Dotierung.

Was die Bildungsenergie der Co-Dotierung betrifft, sind Abb. 8c-e die Bildungsenergie von Co-Dotierung, wo zwei Dotierstoffe Positionen von zwei Ge-Atomen (bezeichnet als Ge-Ge Positionen), zwei P-Atomen (bezeichnet als P-P Positionen), ein Ge- und ein P-Atom (bezeichnet als Ge-P Positionen) einnehmen. Hier zeigen wir nur die Ergebnisse von Dotierstoffen B, C, N und O als Beispiel. Für Ge-Ge Positionen und P-P Positionen kann die Bildungsenergie von Co-Dotierung grob durch Mittelung der Bildungsenergien von Einzelelement-Dotierung separat geschätzt werden. Deutlich sind für BB, BO und OO Co-Dotierung an Ge-Ge Positionen und BB, BO, NO und OO Co-Dotierung an P-P Positionen die Bildungsenergien relativ klein und können im Experiment leicht realisiert werden. Für CC, CN und NN Co-Dotierung an Ge-Ge Positionen und CC und CN Co-Dotierung an P-P Positionen sind die Bildungsenergien relativ größer, was anzeigt, dass sie im Experiment schwer zu dotieren sind. Für Ge-P Positionen Co-Dotierung, wie in Abb. 8e gezeigt, wird die Bildungsenergie komplexer als Ge-Ge oder P-P Positionen Co-Dotierung, weil es Ladungstransfer zwischen den Dotierstoffen gibt. In jedem Fall haben BB, BO und OO Co-Dotierung die kleineren Bildungsenergien, während CC, CN und NN Co-Dotierung größere Bildungsenergien haben. Im Allgemeinen hängt die Bildungsenergie stark von der Valenzelektronenzahl der Dotierstoffe ab. Speziell, wenn die zwei Dotierstoffe mit einem weniger (mehr) Elektron als die substituierten Atome, ist die Bildungsenergie des co-dotierten Systems niedriger (höher) als die der entsprechenden einzelnen Dotierstoffe wie BB (NN) co-dotierte Ge-Positionen. Dies liegt daran, dass Wettbewerb zwischen der verringerten (erhöhten) Energie der reduzierten (erhöhten) Elektronen der dotierten Systeme und Coulomb-Abstoßung besteht. Für Loch-Loch-Co-Dotierung ist die Energie des ersten Falls viel größer als der zweite Fall, was zu stark verringerter Bildungsenergie in Co-Dotierungssystemen wie BB führt, während für Elektron-Elektron-Co-Dotierung beide ersten und zweiten Fälle zu höherer Bildungsenergie führen wie NN. Für Loch-und-Elektron-Co-dotierte Systeme wie BN co-dotierte Ge-Positionen ist die Bildungsenergie dramatisch niedriger als die entsprechenden einzelelement-dotierten Fälle. Dies liegt daran, dass in solchem co-dotierten System kein Energiegewinn aus netto hinzugefügten oder reduzierten Elektronen in den Systemen besteht, und die Coulomb-Wechselwirkung eine entscheidende Rolle bei der Bildung co-dotierter Dotierstoffe spielt. Alles in allem, unsere bisherigen Studien der Elementdotierung in schwarzem Phosphoren zusammennehmend, sollte darauf hingewiesen werden, dass unsere gegenwärtigen Studien einen gewissen Grad an Universalität haben und für die Anwendung auf andere 2D-Halbleiter-Monolayer wie BN, MoS₂ usw. erwartet werden.

Schließlich, um die Stabilität der oben dotierten Systeme im Vergleich zum ungedoteten Fall zu prüfen, führten wir AIMD (ab initio Molekulardynamik) durch, um Energie vs Zeit zu zeigen, wie in Abb. 9a-f gezeigt. Man sieht deutlich, dass die oszillatorische Amplitude konvergent sein wird, solange die Zeit lange genug andauert (~ 4 ps), was impliziert, dass die dotierten Systeme nicht gegen thermische Fluktuation bis 300 K kollabieren für C-dotiertes GeP₃ in Abb. 9a. Selbst für das aktivste C-Atom-dotierte GeP₃ kann die extreme Temperatur bis zu 300 K betragen, wie in Abb. 9c gezeigt. Daneben nehmen wir auch Metall Al Substitution an Ge-Position als Beispiel, das berechnete Ergebnis ist in Abb. 9e und f gezeigt, woraus man deutlich sieht, dass die Energieoszillationsamplitude mit der Zeit allmählich abnimmt, was bedeutet, dass die Energie konvergent sein könnte, solange die Zeit lange genug andauert und die Struktur des dotierten Systems thermisch stabil gegen thermische Fluktuation ist. Daher können wir erwarten, dass solche dotierten Systeme in weiteren Experimenten realisiert werden können, gegeben hochwertiges GeP₃-Monolayer hergestellt wird.

Am Ende wollen wir die Zuverlässigkeit unserer hier präsentierten Studie diskutieren. Unsere hier präsentierten Schlussfolgerungen sind theoretisch vorhergesagte Ergebnisse, aber hoch zuverlässig. Dies liegt daran, dass unser hier verwendetes Host-Material berichtet wurde und seine Bulk-Phase von geschichtetem GeP₃ bereits existiert. So müssen unsere untersuchten dotierungsinduzierten Phänomene weiter im Experiment bestätigt werden, sobald Monolayer GeP₃ weiter realisiert wird. Dann könnte Dotierung der entsprechenden Atome durchgeführt werden. Zur Vereinfachung könnte Dotierung von Elektron oder Loch in Monolayer GeP₃ durch Adsorption einiger Moleküle realisiert werden.

Schlussfolgerung

Zusammenfassend haben wir die elektronischen Eigenschaften von Gruppe III bis VI Dotierstoffen in 2D GeP₃-Monolayer untersucht und finden, dass dotiertes GeP₃ mit Substitution an Ge-Position Metall-Halbleiter-Oszillationen als Funktion der Valenzelektronenzahl der Dotierstoffe zeigt, während solche Oszillationen bei Substitution an P-Position umgekehrt sind. Basierend auf den Ergebnissen der einzelnen Dotierstoffe konnten wir die Leitfähigkeitseigenschaften von Co-Dotierung in GeP₃ vorschlagen, die durch eine einfache logische Operation erhalten werden können. Schließlich berechnen wir die Bildungsenergien verschiedener Dotierstoffe und finden, dass einige der co-dotierten Systeme, besonders für Elektron-Loch- und Loch-Loch-Co-Dotierung, energetisch günstiger sind wegen der Coulomb-Anziehung. Unsere Ergebnisse präsentieren nicht nur ein neues Phänomen, sondern schlagen auch einen faszinierenden Weg vor, die elektronischen Eigenschaften in 2D-binären Halbleitern abzustimmen.

Verfügbarkeit von Daten und Materialien

Die während der aktuellen Studie generierten und/oder analysierten Datensätze sind auf Anfrage beim korrespondierenden Autor verfügbar.

Abkürzungen

1D:

Eindimensional

2D:

Zweidimensional

AIMD:

Ab initio Molekulardynamik

BP:

Schwarzes Phosphoren

CBM:

Leitungsbandminimum

DFT:

Dichtefunktionaltheorie

HSE06:

Hybrides Dichtefunktional

PBE:

Perdew-Burke-Ernzerhof

PDOS:

Partielle Zustandsdichte

VBM:

Valenzbandmaximum