エッジパッシベーションを伴うα-ボロフェンナノリボンに基づくヘテロ接合の整流性能

はじめに

過去数十年にわたって、グラフェン[1、2]、シリセン[3、4]、遷移金属ジカルコゲナイド（TMD）[5、6]、フォスフォレン[7、8]を含む多数の2次元（2D）材料]、その独特の特性のために広く研究されてきました。特に、これらの2D材料は、巨大磁気抵抗（GMR）[9、10]、負性微分抵抗（NDR）[11、12]、スピンフィルタリング[13、14]、整流[15]などの興味深い電子輸送挙動を示します。 、16]、したがって、ナノスケールの電子デバイスにおける潜在的な用途を有する。最近、いくつかの研究では、2D材料がナノスケールの熱電デバイスに幅広い用途があることも示されています[17–20]。その後、2D材料に基づくラテラルヘテロ接合の研究が重要なトピックになります。また、いくつかの理論的研究により、ラテラルヘテロ接合は電界効果トランジスタおよび相補型金属酸化膜半導体技術に応用できる可能性があることが示されています[21、22]。さらに、原子の厚さを持つ横方向のヘテロ接合は、実験ですでに準備されています[23、24]。これらの成果は、より適切な2D材料で作られた横方向のヘテロ接合をさらに探求する取り組みに影響を与えました。

最近、ボロフェン単分子層もグラフェンとシリセンに続いて大きな関心を集めています[25–28]。理論的研究は、単層ホウ素シートが金属基板上に安定して存在できることを予測しました。これは、その後の観察によって確認されました[29、30]。これまでのところ、βなどのAg（111）基板上でのエピタキシャル成長によって多くの2Dホウ素構造が得られています。 ₁₂ -、χ ₃ -、δ ₆ -ボロフェンとハニカムボロフェン[31–34]。理論的研究では、六角形の穴を導入することでホウ素シートの安定性を高めることができると指摘されています[35]。 DFT計算では、「六角形の穴の密度」（η）を持つボロフェンが示されました。 ）1/9の、αという名前 −ボロフェン[35、36]は、エネルギーの面で有利です。さらに、ジグザグエッジα -ボロフェンナノリボン（Z α BNR）は、さまざまなエッジ修正によって金属または半導体の動作を示します[37]。したがって、ボロフェンナノ構造の電子輸送特性は、電子構造、機械的および熱的特性について多くの研究が行われているものの、さらに調査する必要があります[25–28]。

この研究では、ジグザグエッジZ αで作られたヘテロ接合の輸送特性を調査します。 BNR。 3種類の面内金属-半導体横方向接合を構築します。散乱領域に界面が存在し、左側と右側に非対称性があるため、すべての接合部が低バイアス領域で整流動作を示すことがわかります。さらに、接合部の半導体部分のプリミティブセル数の増加に伴い、接合部の整流効果が顕著になります。接合部の輸送特性は、右側の半導体ナノリボンに強く依存していました。この現象は、半導体部のフェルミ準位付近のバンドギャップに起因している可能性があります。バンドギャップが大きくなると、接合部を通過する電子の確率が低くなり、接合部の電流が減少し、整流比が増加します。特に、接合M10Nの整流速度は約240に達する可能性があり、これは、電極としてグラフェンを使用した以前に研究されたヘテロ接合に匹敵し、整流デバイスに潜在的な用途があることを示しています[38]。この論文の構成は次のとおりです。 「モデルと計算方法」のセクションでは、計算の詳細について説明します。 「結果と考察」のセクションでは、提案された接合部の輸送特性を示します。最後に、結果を「結論」セクションに要約します。

モデルと計算方法

考慮されるZ αのユニットセル 図1の上部に、エッジ頂点の変更がない場合とある場合のBNRを示します。ここで、（a）非不動態化Z αの場合 BNR、（b–d）Z αの場合 セルの最外端のホウ素原子が1つの水素（H）、2つのH原子によって不動態化され、窒素（N）原子に置き換えられたBNR。これらは1H-Z αと呼ばれます。 BNR、2H-Z α BNR、およびN-Z α それぞれBNR。その後、対応する電子エネルギー分散を図1の下部に示します。これから、リボンのバンド構造の違いを特定できます。図1aから、固有の元のZ αのいくつかのバンド BNRはフェルミ準位を超えます（ E _F ）、金属特性を示します。 1H-Zの場合α BNR、部分的にダングリングボンドはH原子で飽和しているため、 E 付近のバンドの数 _F 不動態化されていないものよりも少なく、金属の挙動も示します。 2H-Zの場合α ただし、BNRは E _F エッジのダングリングボンドが2つのH原子で飽和しているため、結合バンドと反結合バンドの間のギャップに移動します。したがって、2H-Z α BNRは、Γに0.43eVの直接バンドギャップを持つ半導体です。 -図1cに示すようにポイントします。ここで、Hで不動態化されたリボンのバンド構造の結果は、以前の数値計算[37]とよく一致していることに言及します。さらに、図1dに示すように、N-Z αのバンド構造 BNRは、1.0eVの間接バンドギャップを持つ半導体であることを示しています。これは、結合軌道を満たすのに十分な電子をもたらす、エッジのB原子位置へのNの置換が原因である可能性があります。

a のユニットセルの形状（上）とバンド構造（下） 非パッシベーションされたZ α BNR、 b 1H-Z α BNR、 c 2H-Z α BNR、および d N-Z α BNR。フェルミ準位はゼロに設定され、ピンク、マゼンタ、白の球はそれぞれホウ素、窒素、水素原子を表します

上記のZ αに基づいて、3つの金属/半導体ラテラルヘテロ接合モデルを確立します。 BNR。各モデル接合部は、左電極、右電極、および中央散乱領域の3つの部分に分割されます。図2に示すように、接合部の形状構造。左側の電極は常に半不定詞の長い裸の不動態化されていないZ αです。 BNRまたは1H-Z α BNR、および右電極は半導体2H-またはN-Z αのいずれかです BNR。ただし、特に、3つの接合部の中央散乱領域はZ αです。 n と結合されたBNRユニットセル （ n =1、2、5、8、10）2H-Z αのユニットセル BNR、1H-Z α n と組み合わせたBNR 2H-Z αのセル BNR、およびZ α n と結合されたBNRセル N-Z αのセル それぞれBNR。同様に、それに応じてそれらをM n と名付けます。 H、M ’ n HとM n それぞれ図2a〜cに示されているN個のジャンクション。図2は、 n を使用したモデルの概略図のみを示していることに注意してください。 =1およびその他の n の場合 スペースを節約するために省略されています。

提案された3種類のモデル接合部の形状構造。ここで a M n の場合 H、 b M ’ n の場合 H、および c M n の場合 N、ここで n 中央散乱における半導体部のユニットセル数を表します。大きな（青い）破線のフレームは中央の散乱領域を表しており、小さなフレームはユニットセルを示しています

計算は、ソフトウェアパッケージAtomistix ToolKit（ATK）、QuantumWise A / S（www.quantumwise.com）を使用して実行されました。これは、Keldysh非平衡グリーン関数（NEGF）と組み合わせたDFTに基づいています[39–41]。一般化勾配近似（GGA）の下で汎関数であるPerdew-Burke-Ernzerhof（PBE）は、交換相関ポテンシャルに使用されます。 Borilliouinゾーン（BZ）は、1×1×100のMonkhorst-Pack k を使用してサンプリングされます。 -メッシュ、およびカットオフエネルギーは150Ryに設定されます。各原子に作用する力の絶対値が0.01eVÅ ^-1 未満になるまで、すべてのヘテロ接合の幾何学的構造が緩和されました。 。周期的な画像間の相互作用を避けるために、スーパーセルは少なくとも15Åの真空層の厚さを持っています。

バイアス電圧 V の下でのヘテロ接合を流れる電流 Landauer-Büttikerの式[42、43]

ここで h 、 e 、および V それぞれ、プランク定数、電気素量、バイアス電圧、および f _{L / R} （ E 、 V ）は、左/右電極のフェルミディラック分布関数です。透過係数は

ここで G （ E 、 V ）および G ^† （ E 、 V ）は、それぞれ遅延および高度なグリーン関数を示し、Γ _L （Γ _R ）は、中央の散乱領域と左（右）電極の間の結合行列です。

結果と考察

計算された電流-電圧（ I − V ）ヘテロ接合の曲線M n H、M ^' n H、およびM n -1.0〜1.0 Vのバイアス範囲内のNは、それぞれ図3a〜cに示されています。これらの私から − V 曲線を見ると、正のバイアスが増加すると、3つのタイプの接合すべてで電流が急速に増加することがはっきりとわかります。ただし、負のバイアスが増加すると、接合部を流れる電流はゆっくりと増加します。 私 − V 曲線はバイアス全体で明らかに非対称な特性を持っています。これは、接合部がバイアス範囲内で整流動作をすることを意味します。ヘテロ接合の整流効果は、主に左側と右側の異なるナノリボンの非対称性と中央散乱領域での界面の形成によって引き起こされます。整流動作の強度を評価するために、 I のデータを使用します − V RR（ V として定義される整流比（RR）を計算するための曲線 ）=| 私 （+ V ）| / | 私 （− V ）|、ここで I （± V ）は、正および負のバイアス下の電流を表します。 3種類のジャンクションM n の計算されたRR H、M ^' n H、およびM n 0.1 V〜0.5 Vのバイアス範囲内のNは、それぞれ図3d〜fに示されています。タイプM n の場合 H、M1HのRRは0.2 Vでわずか3です​​が、M10HのRRは同じバイアスで115に達する可能性があります。同様に、M ^' の場合 n バイアス0.2VのNタイプ、MのRR ^' 1Hは3で、Mのそれは ^' 10Hは最大90です。さらに、M n の場合 Nタイプの場合、M1NのRRは0.3 Vで2ですが、M10NのRRは240に達します。さらに、図3を注意深く観察すると、電流とRRの大きさは、サイズを変更することで制御できることがわかります。接合部の半導体部分。具体的には、一方で、接合部の電流は、半導体部分のプリミティブセルの数が増加するにつれて減少する。一方、原始セルの数が増えると、RRは大幅に増加します。ヘテロ接合の右側はバンドギャップのある半導体ナノリボンであるため、半導体の長さが長くなるにつれて、電子トンネリングの確率は指数関数的に減衰します。その結果、M n のヘテロ接合で H、M ^' n H、およびM n N、 n として 増加すると、RRが大幅に増加します。この結果は、他の2D材料に基づくヘテロ接合に関する以前の研究[44–46]とよく一致しています。

私 - V a の場合、3種類のヘテロ接合の特性と整流比 – c I に対応 - V ジャンクションの曲線M n H、M ^' n H、およびM n N（ n =1、2、5、8、10）それぞれ（− 1,1）Vのバイアス範囲内。 c の挿入図 拡大された I - V M n の曲線 バイアス範囲内のN。 d – f I-V から対応して計算された整流比 データ

I の比較 − V 図3に示す3種類のヘテロ接合の曲線とRRから、 I の変動がわかります。 − V M n の曲線とRR HとM ^' n Hも同様の傾向です。ただし、M n のもの Nは大きく異なります。 3種類の接合部の輸送特性の違いを説明するために、図4に示すゼロバイアス下での透過スペクトルを計算しました。ここでは、左右の電極のバンド構造が付随しています。これらの透過スペクトルから、すべての接合部にフェルミ準位の近くに透過ギャップがあることがわかります。ここでは、マゼンタの点線を使用してギャップの位置を示しています。透過ギャップが存在する理由は、右電極のエネルギーバンド構造がフェルミ準位の近くにギャップを持っているためです。したがって、左右の電極のバンド構造が一致せず、輸送チャネルが閉じられ、左側の電極の電子が右側の電極に到達できなくなります。これは、低バイアスでの弱い電流の物理的な原因でもあります。さらに、図4a、bと図4a、cを比較すると、M n の透過スペクトルがわかりました。 HとM ^' n ゼロバイアス下のHにも同様の傾向があります。ただし、M n の傾向 HとM n Nはかなり異なります。これは、フェルミ準位付近の左右の電極バンド構造の一致度によって決まります。接合部の左側の金属ナノリボンM ^' n HはZ αから変化します BNRから1H-Z α M n と比較したBNR H.フェルミ準位付近の左右の電極の一致度はほとんど変わりません。ただし、M n の場合 N、右の半導体ナノリボンが2H-Z αから変更されました BNRからN-Z α M n と比較したBNR H.バンドギャップが0.43eVから1.0eVに増加し、その結果、フェルミ準位付近の左右の電極の一致度が低下します。したがって、M n の輸送特性 HとM ^' n Hはほぼ同じですが、M n HとM n Nは明らかに異なります。この結果は、左側の金属ナノリボンを変更しても、接合部の輸送特性にほとんど影響がないことを示しています。ただし、適切な部分の半導体ナノリボンを変更すると、それに大きな影響があります。

左右の電極のバンド構造。フェルミ準位はゼロに設定され、マゼンタの破線は右側の半導体電極のバンドギャップを示しています。ヘテロ接合のゼロバイアスでの透過スペクトル a M n H、 b M ^' n H、および c M n Nと n =1（赤い破線）、5（青い破線）、10（緑の実線）は、それぞれ各図の中央部分に対応して示されています

ヘテロ接合の整流動作の詳細をさらに理解するために、図5に示すように、いくつかの特定のバイアスでの透過スペクトルを計算しました。上/下の部分は、正/負のバイアスの下での接合の透過スペクトルを示しています。 Landauer-Büttikerの式によれば、接合部の電流はバイアスウィンドウ内の透過スペクトルの積分面積に直接関係していることがわかっています[47–49]。図5に示す透過スペクトルから、3つのタイプのモデルに共通の傾向があることがわかります。バイアスウィンドウでは、半導体部分のプリミティブセルの数が増えると、透過スペクトルの積分面積が減少します。これが、図3に示すように、半導体部分のセル数が増えるとヘテロ接合の電流が減少する理由です。図5aは、ヘテロ接合M n の透過スペクトルを示しています。 ±0.3VでのH。M1Hの場合、0.3Vでのバイアスウィンドウの透過スペクトルの積分面積は-0.3Vよりわずかに大きいだけです。したがって、0.3Vの電流は-0.3Vよりわずかに大きいだけです。 RRはバイアス0.3Vでわずか3です​​。ただし、M5HおよびM10Hの場合、バイアスウィンドウの正バイアス下の透過スペクトルの積分面積は、負バイアス下の場合よりも大幅に大きくなります。これにより、正バイアス下のM5HおよびM10Hの電流は負バイアス下よりも大きくなり、RRはM1Hよりもはるかに大きくなります。図5bは、M ^' の透過スペクトルを示しています。 n ±0.3VでのH。図から、M ^' の透過スペクトルがわかります。 n バイアスウィンドウのHは、M n とほぼ同じです。 H.したがって、同じバイアス電圧の下で、M ^' の電流とRR n HとM n Hはほぼ同じです[図3b、eを参照]。 M n の透過スペクトル ±0.9VでのNを図5cに示します。バイアスウィンドウの透過係数が小さすぎるため、バイアスウィンドウの透過スペクトルを拡大し、図5cの右下に挿入図として添付します。バイアスウィンドウでのM1N透過スペクトルの傾向は、M1HおよびM ^' と同様です。 1H。したがって、M1NのRRも小さい。 M5NおよびM10Nの場合、バイアスウィンドウの正のバイアス下の透過スペクトルの積分面積は、負のバイアス下の面積よりもはるかに大きくなります。したがって、M1Nと比較して、これらの I の非対称特性 − V 曲線はより明白です。これは、整流比が大きいことを意味します。 M10NのRRは240に達する可能性があり、これは3つのタイプのヘテロ接合の中で最高です。

ヘテロ接合の透過スペクトル a M n バイアス±0.3VでのH、 b M ^' n バイアス±0.3VでのH、および c M n n を同じように選択したバイアス±0.9VでのN 図4の線の色で、各図の正/負のバイアスでの伝送の上部/下部。 2本の垂直（マゼンタ）の実線はバイアスウィンドウを示します。図5cの挿入図は、バイアスウィンドウの透過スペクトルの増幅です

図5の透過スペクトルをより直感的に説明するために、M5HとM ^' の透過固有状態を示します。 V で5H =0.3 V、 E =− 0.15 eV、および V =− 0.3 V、 E =図6aおよびbでそれぞれ0.15eV。そして、 V でのM5Nの透過固有状態 =0.9 V、 E =− 0.45 eV、および V =− 0.9 V、 E =0.45eVを図6cに示します[15、16、49]。伝達固有状態の分析は、伝播するブロッホ状態\（\ sum _ {m} C_ {a、m} \ psi _ {m} \）を線形に組み合わせることによって取得できます。 C _{a 、 m} 伝達行列の対角化から導出できます。つまり、\（{\ sum \ nolimits} _ {n} T_ {mn} C_ {a、n} \）=λ _a C _{a 、 m} 、ここでλ _a は伝達固有値です。図6からわかるように、すべてのヘテロ接合で、負のバイアス下の透過固有状態は金属部分（非不動態化Z α）にあります。 BNRおよび1H-Z α BNR）。正のバイアスでは、透過固有状態は主に左側に局在します。ただし、ヘテロ接合で伝送チャネルを形成します。電子は左電極から右電極に移動することができます。したがって、バイアスウィンドウでは、正のバイアスの下での透過係数は、負のバイアスの下での透過係数よりも大きくなります。図6aとbを比較すると、M ^' の透過固有状態がわかります。 5HとM5Hはわずかに異なります。したがって、ヘテロ接合M ^' 5HとM5Hは、バイアスウィンドウでほぼ同じ透過係数を持っています。さらに、M5Nの場合、半導体部分のバンドギャップが大きくなるため、ヘテロ接合での電子散乱がより劇的になります。したがって、右側に送信できる送信固有状態はごくわずかです。これにより、M n の透過係数が得られました。 バイアスウィンドウのNは、他の2種類のヘテロ接合のNよりも小さくなっています。一方、同じバイアスで、M n の電流 Nは、3種類のヘテロ接合の中で最小です。

ヘテロ接合の透過固有状態 a E でバイアス-0.3VのM5H =0.15 eV（上）およびバイアス0.3 V、 E =− 0.15 eV（低い）、 b M ^' E で-0.3Vで5H =0.15 V、0.3 V、 E =− 0.15 eV、および c バイアスでのM5N =− 0.9 V、 E =0.45eVおよび0.9Vで E =− 0.45 eV、それぞれ。等値は0.2Å ^-3 に固定されています e V ^-1 すべての固有状態

最後に、ヘテロ接合を使用した輸送特性に対する左右のナノリボンの影響をさらに調査するために、図7に、3種類のヘテロ接合の予測状態密度（PDOS）を示します。図7aから、左側の電極（非不動態化Z α）がPDOSスペクトルに寄与していることがわかります。 接合部M1H、M5H、およびM10HのBNR）は、フェルミ準位の近くで重なり合っています。これは、左電極が寄与しているPDOSが、半導体ナノリボン（2H-Z α）の伸長による影響をほとんど受けていないことを示しています。 BNR）中央散乱領域。ただし、PDOSスペクトルは、右電極（2H-Z α）によって提供されます。 BNR）はフェルミ準位の近くにギャップがあります。これは、右電極のフェルミ準位付近のバンドギャップが原因です[図3cを参照]。中間散乱領域2H-Z αの拡張による影響 BNR、接合部M1H、M5H、およびM10Hの右側の電極によってもたらされるPDOSスペクトルは、バンドギャップの外側のエネルギー範囲で互いに大きく異なります。ヘテロ接合Mの2つの電極間に本質的な違いはないので ^' n HとM n H、右の電極は同じで、左の電極は金属リボンです。したがって、MのPDOS ^' n HとM n 図7a、bに示すように、Hはフェルミ準位付近でほぼ同じです。これが、透過スペクトル I の理由の1つです。 − V M n の曲線とRR HとM ^' n Hは低バイアス下でも同様です[図1および2を参照してください。 3と5]。図7cに、M n のPDOSを示します。 N.ヘテロ接合の半導体部分のバンドギャップが大きくなるため、左側の電極が透過特性に与える影響は小さくなります。したがって、PDOSは、フェルミ準位に近いより広いエネルギー範囲内で互いにオーバーラップします。右電極によってもたらされるPDOSスペクトルは、（-0.5、0.5）eVのエネルギー範囲にギャップが存在します。それらは、N-ZBNRバンド構造を持つギャップの位置と一致しています。 PDOSから、左側の金属電極は中間散乱領域の輸送特性にほとんど影響を与えないと結論付けることができます。ただし、右側の半導体部品電極は、中間散乱領域の輸送特性にとって重要です。

左側の非不動態化ZBNR電極（上部）と右側の電極（1H-Z α）の投影状態密度（PDOS） BNR、2H −ZBNR、またはN-Z α BNR）（下） a M n H、 b M ^' n H、および c M n n と同じ選択肢を持つN それぞれ図5の線の色で

結論

要約すると、αの輸送特性を研究しました −ボロフェンベースの3つのタイプのヘテロ接合。 3種類のヘテロ接合が整流挙動を示し、その中でヘテロ接合の整流比Z αが見られました。 BNR / N-Z α BNRは最大240に達する可能性があります。さらに、中央の半導体部分のユニットセルの数が増えると、整流の効果がより明白になります。整流挙動の起源は、正/負のバイアス下での透過スペクトルと固有状態を分析することによって明らかにされ、議論されます。ヘテロ接合の整流挙動は、半導体部品のナノリボンのバンドギャップ値に強く依存します。この結論は、左右の電極によってもたらされるPDOSを分析することによってさらに確認されました。私たちの結果は、整流電子デバイスの設計のための新しいラインを提供します。

データと資料の可用性

ナノジャンクションの設計と計算計算はATKによって実行されました。

略語

2D：

二次元

TMD：

遷移金属ジカルコゲニド

GMR：

巨大磁気抵抗

NDR：

負性微分抵抗

DFT：

密度汎関数理論

Z α BNR：

ジグザグエッジα -ボロフェンナノリボン

H：

水素原子

N：

窒素原子

1H-Z α BNR：

Z α エッジが1つの水素によって不動態化されたBNR

2H-Z α BNR：

エッジが2つの水素原子によって不動態化されたZ αBNR

N-Z α BNR：

Z α エッジのホウ素原子が窒素原子に置き換えられたBNR

E _F ：

フェルミ準位

ATK：

Atomistixツールキット

NEGF：

ケルディッシュ非平衡グリーン関数

PBE：

Perdew-Burke-Ernzerhof

GGA：

一般化された勾配近似

BZ：

Borilliouinゾーン

I − V 曲線：

電流-電圧曲線

RR：

整流比

PDOS：

予測される状態密度