石墨烯反點納米帶橫向異質(zhì)結(jié)帶階匹配及輸運(yùn)特性

0 1引言

近年來，具有原子尺度厚度材料的發(fā)現(xiàn)和研究為設(shè)計各種二維異質(zhì)結(jié)構(gòu)提供了新的可能性。通過調(diào)控異質(zhì)結(jié)的結(jié)構(gòu)構(gòu)型和組成異質(zhì)結(jié)的材料間的帶階匹配，能夠使異質(zhì)結(jié)的電子性質(zhì)得到極大的改變，甚至能夠得到與其組分性質(zhì)完全不同的新的電子性質(zhì)。因此，對于二維材料異質(zhì)結(jié)的研究變得尤為重要。

根據(jù)其物理結(jié)構(gòu)，二維材料異質(zhì)結(jié)可以分為縱向堆疊形成的縱向異質(zhì)結(jié)和橫向拼接形成的橫向異質(zhì)結(jié)。與縱向異質(zhì)結(jié)相比，橫向異質(zhì)結(jié)具有清晰的表/界面，并且其晶格生長方向可以通過實驗參數(shù)很好地控制，這使得有橫向異質(zhì)結(jié)構(gòu)成的電子及光電器件具有更加優(yōu)異的性能。

目前，包括h-BN/石墨烯，TMDs/石墨烯和TMDs/TMDs等在內(nèi)的多種二維橫向異質(zhì)結(jié)（Two-dimensional lateral heterostructure，2DLH）已經(jīng)在實驗上被成功的合成，并被證明在FET、諧振器及邏輯電路等方面具有極高的應(yīng)用潛力。

其中，由MoS2/石墨烯橫向異質(zhì)結(jié)構(gòu)構(gòu)建的FET具有極低的固有延遲，接近109的開關(guān)頻率和高達(dá)6 μs的最大跨導(dǎo)率[192]；采用光刻法制備的石墨烯/h-BN異質(zhì)結(jié)構(gòu)的載流子遷移率可高達(dá)2000 cm2v?1s?1。由于具有易于剝離并被轉(zhuǎn)移到其他基板上的優(yōu)點，它十分有利于作為諧振器，并被用作邏輯電路中的濾波器。

本研究通過第一性原理計算，使用了三種不同的方法對GANR的電子性質(zhì)進(jìn)行了調(diào)制，并研究了由其所構(gòu)造的二維材料異質(zhì)結(jié)的輸運(yùn)性質(zhì)。通過有效地調(diào)控納米孔的形狀、納米帶的寬度和雜質(zhì)的摻雜位點及濃度，可以同時實現(xiàn)具有I型和II型帶階匹配的二維材料異質(zhì)結(jié)。

本研究分別計算了兩種典型的I型和II型二維材料異質(zhì)結(jié)的輸運(yùn)特性。結(jié)果表明，2DLH的I-V特性與基于帶階匹配的結(jié)果非常一致。我們的研究結(jié)果提出了一種基于單一材料的新型維材料異質(zhì)結(jié)的替代方法，在高性能電子器件中具有極高的應(yīng)用潛力。

02成果簡介

在計算過程中，我們使用了基于Monkhorst-Pack方法撒點的1×1×11的格子。截斷動能設(shè)置為500 eV。在結(jié)構(gòu)優(yōu)化過程中，原子位置得以完全弛豫直到他們之間的最大能量小于 10-5eV，最大力小于 0.01 eV ?-1為止。我們使用了GGA交換關(guān)聯(lián)泛函和基于PBE的贗勢。

所有的結(jié)構(gòu)在z方向都設(shè)置了20 ?的真空層從而防止面與面之間發(fā)生相互作用。所有在邊緣的碳（C）原子的懸掛鍵都被氫（H）原子鈍化，從而防止引入額外的自旋。對于所有的體系，其導(dǎo)帶底和價帶頂?shù)奈恢镁ㄟ^將真空能級設(shè)為0 eV來匹配。

在電子和熱輸運(yùn)特性的計算中，本研究使用了基于NEGF-DFT理論的Nanodcal軟件，并采用了雙ξ極化原子軌道基組來擴(kuò)展所有的物理量。K點的撒點密度為20×1×1。 0 3圖文導(dǎo)讀 本研究選取了具有I型和II型帶階匹配的異質(zhì)結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)并構(gòu)建器件模型，研究了其輸運(yùn)性質(zhì)。

基于GANR所構(gòu)建的具有I型和II型帶階匹配的異質(zhì)結(jié)構(gòu)器件示意圖如圖1所示。器件由三部分構(gòu)成：左右電極，中心區(qū)以及緩沖層。其中，中心區(qū)為異質(zhì)結(jié)的主要結(jié)構(gòu)，包括由15-GANR-I/13-GANR-I構(gòu)成的具有I型帶階匹配的異質(zhì)結(jié)和11-GANR-I/13-GANR-I1B-1構(gòu)成的具有II型帶階匹配的異質(zhì)結(jié)器件，分別如圖1(a,b)所示。

而電極材料則選取了隨不同寬度變化均保持金屬性的ZGNR，如圖1中藍(lán)色和橙色方塊所示。所有位于邊緣處的C懸掛鍵均被H原子鈍化，從而防止額外磁性的引入。電極的寬度選取為和與之相連的中心區(qū)的GANR相同的數(shù)值。此外，在左右電極和中心區(qū)之間均連接了2個周期的Zigzag石墨烯納米帶（ZigzagGrapheneNanoribbon，ZGNR）作為緩沖層以保證中心區(qū)和電極處電勢變化的連續(xù)性及計算的準(zhǔn)確性。

圖1基于GANR所構(gòu)建的具有I型和II型帶階匹配的異質(zhì)結(jié)構(gòu)器件示意圖。(a)15-GANR-I/13-GANR-I；(b)11-GANR-I/13-GANR-I1B-1

由于異質(zhì)結(jié)構(gòu)的能帶排列通常對傳輸特性起著至關(guān)重要的作用，因此本研究對于15-AGANR-I/13-AGANR-I和11-AGANR-I/13-AGANR-I1B-1在真實空間中的局部態(tài)密度（LDOS）進(jìn)行了研究，如圖2所示。因此，2DLH的能帶邊緣清楚地分別針對上述兩種異質(zhì)結(jié)構(gòu)表現(xiàn)出了I型和II型帶階匹配。圖2所示的構(gòu)成材料的帶隙與帶階匹配的結(jié)果一致。對于II型異質(zhì)結(jié)，空間電荷區(qū)遠(yuǎn)長于I型異質(zhì)結(jié)構(gòu)，然而，中心散射區(qū)仍然足夠長，可以實現(xiàn)空穴弛豫。

圖2 15-AGANR-I/13-AGANR-I和11-AGANR-I/13-AGANR-I1B-1在實空間中的局部態(tài)密度

圖3給出了兩種異質(zhì)結(jié)構(gòu)的能帶結(jié)構(gòu)示意圖和相應(yīng)的電流-電壓曲線。在二維材料異質(zhì)結(jié)界面處由于費密能級的不同，電子和空穴將在濃度差的驅(qū)動下形成擴(kuò)散作用直到達(dá)到熱平衡，此時兩半導(dǎo)體的費米能級EF1和EF2在界面處拉平，合并為一個相同的的費米能級，如式(1-1)：

15-GANR-I/13-GANR-I的能帶結(jié)構(gòu)示意圖如圖3(a)所示。由于15-GANR-I具有較高的費米能級，因此電子會從15-GANR-I擴(kuò)散到13-GANR-I。與此同時，在15-GANR-I和13-GANR-I的界面處會分別形成正的和負(fù)的空間電荷區(qū)，該空間電荷區(qū)會形成內(nèi)建電場阻止電荷的進(jìn)一步擴(kuò)散。最終，二者達(dá)到平衡。由于內(nèi)建電場的存在，使得15-GANR-I和13-GANR-I的能帶在界面處在附加電勢的作用下分別向上和向下彎曲。能帶彎曲的總能量差可通過如公式(1-2)計算得到：

式中，VD是接觸電位差；VD1和VD2分別是接觸的兩半導(dǎo)體的內(nèi)建電場大小。經(jīng)過計算，15-GANR-I/13-GANR-I的能帶彎曲值為0.464 eV。

圖 3 二維材料異質(zhì)結(jié)接觸面處的能帶結(jié)構(gòu)示意圖及器件輸運(yùn)計算得到的電流-電壓曲線。(a, b)15-GANR-I/13-GANR-I；(c, d)11-GANR-I/13-GANR-I1B-1

計算得到電流-電壓曲線及相應(yīng)的電壓下的整流比分別如圖3。對于15- GANR-I/13-GANR-I，如圖3(b)所示。當(dāng)對體系施加正向偏置電壓時，左側(cè)電極電勢變低，右側(cè)電極電勢變高，二者之間的差值即為所加電壓的數(shù)值。當(dāng)偏置電壓較小時，器件右側(cè)，即13-GANR-I中導(dǎo)帶的電子由于在左側(cè)的15-GANR-I中沒有空的未占據(jù)態(tài)，無法實現(xiàn)隧穿形成電流，因此其電流大小基本保持為0。直到偏置電壓大于EC1和EV2之差，即EC1?EV2=1.492 eV之后，15-GANR-I才有空帶提供電子占據(jù)。

此時，電子才可以從右側(cè)隧穿到左側(cè)形成電流，其隧穿通道如圖3(a)中藍(lán)色虛線箭頭所示。同樣的，當(dāng)對體系施加反向偏置電壓時，EC2和EV1的差為EC2?EV1=1.355 eV，相應(yīng)的電子隧穿路徑如圖3(a)中橙色虛線箭頭所示。從圖3(b)中可以清楚地看到，15-GANR-I/13-GANR-I異質(zhì)結(jié)器件的正向開啟電壓和負(fù)向開啟電壓分別為1.6 V和1.4 V，與帶階匹配的結(jié)果一致。

同樣，對于如圖3(c)所示的11-GANR-I/13-GANR-I1B-1，由于11-GANR-I的費米能級高于13-GANR-I1B-1，電子會從左側(cè)擴(kuò)散到右側(cè)，形成一個空間電荷區(qū)域。由于B原子的摻雜使得13-GANR-I1B-1的費米能級低于價帶，因此在價帶頂附近有額外的空帶允許電子占據(jù)。因此，在正負(fù)偏置電壓下均能產(chǎn)生一個較小的電流，如圖3(d)所示。

當(dāng)施加負(fù)電壓時，電場與空間電荷區(qū)域相反。隨著偏置電壓繼續(xù)增加，盡管應(yīng)用電場可以克服空間電荷區(qū)域的電場，然而右邊的材料沒有其他空帶供電子占據(jù)，所以電流的變化是可以忽略的。直到所加偏置電壓能夠使電子從左側(cè)的價帶隧穿到右側(cè)材料的導(dǎo)帶，即qV>EC2?EV1=1.6 eV之后，電流才會呈指數(shù)形式上升。

這種單側(cè)導(dǎo)電特性與II型帶階匹配一致，可廣泛應(yīng)用于p-n結(jié)。

為了進(jìn)一步研究造成其開啟電壓的原因，本研究計算了I型和II型2DLH在不同偏置電壓下的電子透射光譜，分別如圖4和圖6所示。對于15-AGANR-I/13-AGANR-I，其積分區(qū)間的電子透射譜值保持為0，直到負(fù)偏壓大于-1.4 V。之后，積分區(qū)間的電子透射峰面積繼續(xù)增加，對應(yīng)于圖3中電流呈指數(shù)增長。

當(dāng)向系統(tǒng)施加正電壓時也會發(fā)生類似的現(xiàn)象，其積分區(qū)間內(nèi)的電子透射譜值保持為0，直到正偏壓大于1.6 V。對于11-GANR-I/13-GANR-I1B-1，其透射譜也清楚地顯示了負(fù)導(dǎo)通電壓為-1.6 V。同時，在正偏壓下，透射譜中有一個小峰，這對應(yīng)于其較小的電流。透射譜的這種演變也證實了2DLH的帶階匹配決定了器件在有限偏置下的傳輸特性。

圖 4 15-AGANR-I/13-AGANR-I 在不同偏壓下的電子透射譜。(a)-1.2 V；(b)1.2 V；(c)-1.4 V；(d)1.4V；(e)-1.6 V；(f)1.6 V；(g)-1.8 V；(h)1.8 V

圖 5 11-GANR-I/13-GANR-I1B-1 在不同偏壓下的電子透射譜。(a)-1.2 V；(b)1.2 V；(c)-1.4 V；(d)1.4V；(e)-1.6 V；(f)1.6 V；(g)-1.8 V；(h)1.8 V

圖6 兩種二維橫向異質(zhì)結(jié)整流比隨偏置電壓的變化曲線

此外，作為數(shù)字電路重要的性能指標(biāo)之一，我們還研究了其整流特性。其定義為IV/I-V，式中IV和I-V分別為在偏置電壓V和-V下的電流值。值得注意的是，通過調(diào)制的GANR異質(zhì)結(jié)的整流比最高可達(dá)15，大于由寬度調(diào)制的GNR（20- GNR/17-GNR）的7，如圖6所示。這兩種異質(zhì)結(jié)構(gòu)的電壓-電流曲線與帶階匹配的結(jié)果都吻合較好。因此，我們可以通過使用不同的調(diào)制方法，有效地調(diào)節(jié)二維材料異質(zhì)結(jié)的輸運(yùn)性質(zhì)。

0 4小結(jié)

本研究使用三種不同的方法對GANR的電子性質(zhì)進(jìn)行了調(diào)制，I型和II型異質(zhì)結(jié)都可以通過納米孔的形狀、納米帶的寬度和摻雜位點及濃度的調(diào)控來實現(xiàn)。對于輸運(yùn)性質(zhì)，兩種典型的I型和II型二維材料異質(zhì)結(jié)的的電流-電壓特性與基于帶階匹配的結(jié)果高度相符。

進(jìn)一步的，本研究通過鴻之微Nanodcal計算了器件的電子透射譜對其I-V特性進(jìn)行了進(jìn)一步的研究。

所構(gòu)建的I型和II型二維材料異質(zhì)結(jié)的電子透射譜均表現(xiàn)出了特征峰隨著所加偏壓的規(guī)律性演變。其積分區(qū)間內(nèi)的面積變化反映了電流大小的變化趨勢，合理解釋了電流的變化規(guī)律。

本研究證明了基于納米孔的形狀、納米帶的寬度和摻雜位點及濃度的多種調(diào)制方法能夠有效的實現(xiàn)二維材料異質(zhì)結(jié)器件組分的篩選及性能調(diào)控，由同種材料形成的二維橫向異質(zhì)結(jié)在電子器件中的應(yīng)用中具有不可估量的潛力。





審核編輯：劉清