بخشی از مقاله
چکیده
سطح واسط بین سیلیسن و لایهی مواد نقش مهمی را در ویژگیهای الکترونیکی سیستم ایفا میکند. ترکیب - سنتز - سیلیسن بسیار خمیده - - HB با سطح حجیم MoS2 گزارش شده است .با استفاده از محاسبات اصول اولیه، سطوح مشترک لایه های سیلیسن و تک لایهی MoS2 بررسی شد.متوجه شدیم که سیلیسن قادر به جذب لایهی MoS2 به وسیلهی تبادلات - vdW - van der Waals است که دگرساختارهای HB - heterostructures - و خمیده کم - LB - را شکل میدهد. اختلاف شبکهی بین سیلیسن LB و لایهی MoS2 منجر به شکلگیری ابرساختار Moire میشود. دگرساختارهای سیلیسن HB بر روی لایهی MoS2 فلزی هستند، در حالی که دگرساختار سیلیسن LB بر روی لایهی MoS2نیمههادیهایی با شکاف نوار کوچکی به دلیل اثرات سطوح میانی است. شکاف نوار در جایی که انرژی شکلگیری وجود ندارد وابسته به زاویهی چرخش و الگوی انباشت است. از قابلیت حمل و جابهجایی سلیسین LB در این ساختارها حفاظت شده است. به علاوه، شکاف نوار را میتوان با اعمال یک میدان الکتریکی عمدی میزان کرد. این ویژگیها برای ساخت تجهیزات الکترونیکی scale نشده به وسیلهی سلیسین مفید می باشند.
کلید واژه- سیلیسن ، HB ، LB ، MoS 2
-1 مقدمه
سیلیسن، سلیکونی مشابه گرافین، جذاب است زیرا برای استفاده در تکنیک های نیمه هادی قابل پردازش و سنتز کردن است و با Si تطبیق پذیری خوبی در صنعت نیمه هادی مرسوم دارد1 ]و.[2 این ماده ی دو بعدی جدید به طور موفقی بر روی لایه های فلزی مختلفی سنتز شده است، همانند سطح Ag - 111 - [3-10]، لایه ی Ir، [11] و غشای نازک جهت دار - 0001 - زیکرونیوم دیبروید . - ZrB2 - [12] تاکنون مدرک مستدلی برای به کارگیری سیلیسن ایزوله شده گزارش نشده است [12]، عمدتاً به دلیل فعل و انفعالات قوی بین لایه های سیلیسن و فلز اخیراً سیلیسن [14] HBبا طول 2 بر روی سطح حجیم MoS2 سنتز شده است.[ 15 ] در نتیجه مطالعه ی تبادلات بین سیلیسن HB و لایه ی MoS2 به موضوعی جذاب تبدیل شد، به خاطر آن که ممکن است راه گشای ساخت سیلیسن ایزوله شده شود که در آن آلودگی از لایه های فلزی به ساختار الکترونیکی پرهیز می شود.
به علاوه، واسط بین سیلیسن و لایه ی نیمه هادی MoS2 ممکن است برای میزان کردن ویژگی های الکترونیکی سیستم ها مفید باشد.از نظر تئوری، محاسبات اصول اولیه سیلیسن انجام شده و بسیاری از ویژگی های مکانیکی و نوری - اپتیکال - پیش بینی شده است .[21-16] سیلیسن LB دارای نوار شکاف صفر با باند و * که به صورت خطی از سطح فرمی عبور می کند، می باشد و حاملان شارژ الکتریکی را نیز می توان به صورت Dirac Fermions بی جرم توصیف کرد. قابلیت انتقال الکتریکی بالای سلیسین LB، آنرا تبدیل به ماده ای ایده آل برای ساخت تجهیزات الکترونیکی می کند، همانند ترانزیستور .[22]FET سلیسین HB هرچند، از محاسبات اصول اولیه خاصیت فلزی نشان می دهد با به کارگیری SOC - spin-orbit coupling - ، سلیسین LB عایق با توپولوژی دو بعدی جذابی است23]و[24
و اندازه ی شکاف تولید شده توسط اثر SOC برای مدار در نقطه ی K برابر با meV1.55 است، که از نمونه ی گرافین آن بسیار بزرگتر است[ 27-25 ]؛ پس انتظار می رود که اثر چرخش کوانتومی Hall - QSHE - در سیلیسن LB در دمای پایین قابل دستیابی به صورت آزمایشگاهی به وقوع بپیوندد 25]و.[26از این گذشته گرافین و متشابهاتش، TMDهای لایه لایه شده - transition-metal dichalcogenides - نیز خانواده ی دیگری از مواد دوبعدی هستند که همراه MoS2 ها به صورت گسترده بررسی شده اند. نوار شکاف مستقیم MoS2 تک لایه و شکاف باند غیرمستقیم MoS2 چند لایه بوسیله ی کارهای نظری و آزمایشگاهی تأیید شده است .[38-35] این امر توسط Novoselov و سایرین نیز حاصل شد .مواد لایه لایه شده همانند MoS2، MoTe، WS2، TaSe2، NbSe2،NiTe2، BN و Bi2Te3 را به طور موثری به لایه های مستقل جدا کرد.
اثر سطح واسط نقش مهمی در ویژگی الکتریکی دگرساختارها دارد. معمولاً دو نوع نمونه مدل برای توصیف سطوح میانی دگرساختارها وجود دارد: مدل تطبیق شبکه و مدل اختلاف شبکه. در مدل تطبیق شبکه ، بردارهای پایه ی یکشبکه مشابه شبکه ی دیگر است. اگر ثابت های دو شبکه مقدار ناچیزی با هم تفاوت کنند می توان از مدل تطبیق شبکه برای توصیف دگرساختارها استفاده کرد آن هم بوسیله ی قرار دادن ثابت شبکه در مقداری مابین آنها که منجر به ابرسلولی با ابعاد کوچک می شود. مدل اختلاف شبکه برای مطالعه ی سطوح واسط مختلفی به کارگرفته شده است، همانند گرافینBN45/، سلیسین /HB سطح MoS2 حجیم، و سلیسین .LB/GaS46 برای مدل اختلاف شبکه، بردارهای پایه ی دو شبکه دیگر موازی نیستند بلکه برای جبران اختلاف شبکه زاویه ی دورانی با هم دارند.
این امر همیشه منجر به فراوانی شکل-گیری ابرساختار Moire می شود.اخراًی هم کارهای نظری و هم کارهای تجربی اشاره به این دارند که اختلاف شبکه در سطح میانی برای ویژگی های الکترونیکی آن ها نقش مهمی دارند. برای مثال، مدل تطبیق سطح میانی شبکه ی گرافینBN/ شکاف نوار متوسطی را در نقطه ی Dirac گرافین پیشنهاد می دهد . [41 ] اگر چه، اگراختلاف شبکه ی کوچک - %1.8a - به حساب آورده شود، نسبت پراکندگی خطی گرافین در ابر ساختار Moire حفظ می شود ،که با نتایج تجربی همخوانی خوبی دارد. مدل اختلاف شبکه همچنین در سطوح واسط سلیسین/سطح Ag - 111 - ، سلیسینBN/ و گرافینMoS2/ استفاده شده است.
در این مقاله، ما سطوح واسط بین سیلیسن و سطح MoS2 تک لایه را از روی اصول اولیه بررسی کردیم. در آزمایش سلیسین HB بر روی سطح حجیم MoS2 ، سیلیسن HB سطحی با الگوی شش ضلعی با دوره تناوب 3.2 است که بسیار مشابه ثابت شبکه ی MoS2 حجیم است 3.16 - - ، پس ما از مدل تطبیق شبکه برای مطالعه ی سیلیسن HB بر روی سطح MoS2 - دگرساختار - HSMS استفاده کردیم. برای سیلیسن LB بر روی سطح MoS2 - دگرساختار - LSMS ما از مدل اختلاف شبکه برای بنا نهادن دگرساختار به منظور نگه داشتن سیلیسن در ساختار LB استفاده کردیم. در هر دو حالت تبادلات بین سیلیسن و سطح MoS2 از نوع تبادلات vdW ضعیف است.
برای دگرساختارهای LSMS، پروفایل انرژیvdW بر روی سطح موازی با سطح MoS2 تقرباًی صاف است. ویژگی های فلزی سلیسین HB ایزوله شده در دگرساختار HSMS حفاظت شده است در حالی که دگرساختارهای LSMS نیمه هادی است با نوار شکاف-های باز شده در نقطه دیراک سیلیسن.LB دگرساختارهای LSMS قابلیت جابه جایی بالایی در مقایسه با سلیسین LB ایزوله شده دارد. با اعمال میدان مغناطیسی خارجی در طول مسیر عمود بر صفحه ی واسط، نوار شکاف در بازه های بزرگتری قابل تنظیم است. این ویژگی ها برای ساخت تجهیزات الکترونیکی با استفاده از سیلیسن مفید هستند.
روش ها و جزئیات محاسباتی
محاسبات اصول اولیه ی ما با استفاده از صفحه ی موج پایه ی Vienna بسته ی شبیه سازی معروف به کد VASP، با اجرا کردن تئوری تابع چگالی - DFT - انجام شده است. تابع هم ارزی تبادل الکترون با استفاده از تخمین گرادیان عمومی - GGA - به شکل Pedrew، Burke و Ernzerhof - PBE - تصحیح شده است. تصحیح vdW - DFT-D2 - درون تابع PBE پیشنهادی توسط Grimme برای همه ی محاسبات به کارگرفته شده است. برای دگرساختارهای HSMS با ابرسلول های ابعاد کوچک، موقعیت اتمی و بردارهای شبکه با استفاده از شماتیک گرادیان مزدوج - Conjugate Gradian - و بدون استفاده از هیچگونه محدودیت تقارن تا زمانی که نیرو بر روی هر اتم به کمتر از /eV0.01 برسد، به طور کامل بهینه سازی شده اند. انرژی قطع صفحه امواج بر روی eV400 و با دقت -10 eV5 تنظیم شده است.
ناحیه ی Brillouin - BZ - برای نسبت گیری با استفاده از گرید مرکز-گامای Monkhorst-Pack - برای محاسبات استاتیک - نمونه گیری شده است. پارامترهای ساختار و نوار شکاف سیلیسن و MoS2 در جدول1 خلاصه شده اند که با نتایج نظری و آزمایشگاهی گزارش شده در مقالات گذشته همخوانی خوبی دارد. برای دگرساختار LSMSبا ابرسلول های بزرگ، تنها موقعیت اتمی با همگرایی /eV0.02 نسبت گیری شده است، در حالی که ثابت شبکه ی ابرسلول ثابت نگه داشته شده است. ابعاد BZ برای نمونه گیری بهینه سازی ساختاری و برای محاسبه انرژی تنظیم شده است. سایر جزییات محاسباتی مشابه نمونهی ابرسلول کوچک است.برای مدل تطبیق شبکه ی دگرساختار HSMS، شش الگوی انباشت - دو الگوی انباشت AA و چهار الگوی انباشت - AB نشان داده شده در شکل1 به کار گرفته شده است.پارامترهای ساختار شش الگو در جدول 2 نشان داده شده اند
