بخشی از مقاله
چکیده
در این بررسی، تأثیر حضور اتمهای هیدروژن، اکسیژن، فلور، کلر و سیلیسیم بر روی ساختار نواری و چگالی حالتهای نانو صفحههای فسفرین با استفاده از نظریه تابعی چگالی مورد مطالعه قرار گرفته است. بارزترین اثر حضور این ناخالصیها بر روی نانو صفحهی فسفرین نسبت به حالت عادی آن، تغییرات در نوع گاف از مستقیم به غیر مستقیم برای حالتهای حضور هیدروژن، فلور و کلر و بسته شدن گاف نواری در نانو صفحهها با ناخالصیهای اکسیژن و سیلیسیم میباشد.
مقدمه
شمار بسیاری از مواد دو بعدی مانند سیلیسن، ژرمانن و TMDS در دوره پسا-گرافین [1] مورد مطالعه قرار گرفتهاند. بیشتر این مطالعات به امید غلبه بر کمبودهای موجود در گرافین مانند گاف نواری صفر حول نقاط دیراک انجام میشوند .[2] زیرا گاف نواری - محدودهی ممنوعی از انرژیها که الکترون نمیتواند در آن حضور داشته باشد- به عنوان مشخصهای از سیستم برای کنترل جریان قطع/ وصل بکار برده میشود .[1] سرعت و کنترل جریان قطع/ وصل مهمترین خاصیت از مواد دو بعدی برای کاربرد در ترانزیستورهای اثر میدان است .[3]
مهمترین مشکل مواد دو بعدی سهولت در واکنش پذیری آنها با هوا است که سبب ناپایداریشان میشود. سیلیسن، محبوبترین ماده دو بعدی در بین محققان در دوره پس از گرافین، در سال 2012 ساخته شد ولی به دلیل تاثیرات زیر لایهی فلزی که سیلیسن بر روی آن رشد داده میشود بر خواص الکتریکی آن، این ماده قابل به کارگیری در ابزارهای الکترونیکی امروزی نیست .[1] یکی از مواد پیشنهادی جایگزین، فسفرین است.
فسفرین، تک لایهای از اتمهای فسفر سیاه در شبکه شش گوشهای گرافین- مانند، ولی اندکی چین خورده - شکل -1 - b و به ضخامت یک اتم است که نسبت به مواد دو بعدی مشابه پایداری بیشتری از خود نشان میدهد. بعلاوه فسفرین خواص مکانیکی، الکتریکی و نوری منحصر به فردی دارد و به علت داشتن گاف نواری ذاتی، مادهای نوید بخش برای استفاده در ابزارهای نانو الکترونیکی نوین میباشد 1]و3و[4، چرا که وجود گاف نواری قابل تنظیم، می- تواند فسفرین را از نارسانا به رسانا تبدیل کند .[1] شکل - a - :1 نمایی از ساختار چین خورده فسفرین سیاه - b - >4@ نحوه قرار گرفتن اتمهای ناخالصی نسبت به اتمهای فسفر با استفاده از نظریه تابعی چگالی برای گاف نواری نانو صفحهی فسفرین، مقادیر مختلفی گزارش شده است که این اختلافها به روش انتخابی محاسبه بر میگردد.
روش تقریب جی-دبلیو - GW - گافی در حدود 2 الکترون ولت را پیشبینی میکند [5] که به مقدار بدست آمده از روشهای تجربی نزدیکتر است و این در حالی است که محاسبات انجام شده بر اساس روش تقریب تعمیم گرادیان - GGA - مقدار گاف را در حدود 0/76 الکترون ولت نشان داده ست 5]و.[6 روش GW در مقایسه با سایر روشها محاسبات بسیار پر هزینهای است ولی روشهای قدیمیتر مانند GGA به زمان کمتری برای محاسبات نیاز دارند. با این که مقدار گاف محاسبه شده برای فسفرین از روش GGA کوچکتر از مقادیر تجربی است ولی تصویر فیزیکی کاملا مشابهی با نتایج حاصل از روش GW برای فسفرین ارائه میکند .[5]
روش محاسبات
در این پژوهش، ما از کد محاسباتی سیاستا - Siesta - استفاده کردهایم که بر پایهی نظریه تابعی چگالی به حل خودسازگار معادلات کوهن- شم میپردازد .[7] برای این محاسبات، روش GGA پیشنهاد شده توسط پدرو-بوک-ارتزنهف و همچنین پایههای اتمی قطبیده زتای-دوگانه را برای اتمهای فسفر به کار رفته است. در محاسبات خودسازگار حداقل نیروی هلمان-فاینمن بین اتمها و تنش شبکه به ترتیب کمتر از 0/0025 eV و0/005 H9/$3 اعمال کردیم و انرژی قطع 300 ریدبرگ و مشبندی منطقه اول بریلوئن به صورت 18×18×10 در نظر گرفته شده است. اتمهای ناخالصی با فاصله 1/5 آنگسترم از هر اتم فسفر به طرف خارج از صفحه - شکل - a - 1 و همچنین برای نادیده گرفتن نیروی بین صفحههای فسفرین، فاصله بین آنها 10 آنگسترم تنظیم شده است.
نتایج
در شکل 2 ساختار نواری و در شکل 3 چگالی حالتها بر حسب انرژی برای نانو صفحهی فسفرین در حضور اتمهای هیدروژن، اکسیژن، فلور، کلر و سیلیسیم به نمایش در آمده است. همانطور که در شکل a -2 دیده میشود در حالت خالص و بدون حضور اتمهای ناخالصی، نانو صفحهی فسفرین یک نیمرسانا با گاف نواری مستقیم در حدود 0/78 و انرژی فرمی 4/16 الکترون ولت است در حالی که با قرار دادن اتمهای هیدروژن بر روی صفحه، شکلb -2 ، گاف نواری آن از مستقیم به غیر مستقیم تغییر کرده و مقدار آن به 1/35 الکترون افزایش مییابد، در صورتی که انرژی فرمی تغییری در حدود 0/15 الکترون ولت را نشان داده و به مقدار 4/01 کاهش مییابد.
در شکل c - 2 ساختار نواری فسفرین در حالتی که اتمهای فلور در مجاورت فسفرین قرار گرفتهاند مشاهده میشود. گاف نواری در این مورد نیز به صورت غیر مستقیم و در حدود 1/15 الکترون ولت و انرژی فرمی 5/03 الکترون ولت بدست میآید. همین روند در حضور اتمهای کلر، شکل d - 2 نیز مشاهده میشود. گاف نواری و انرژی فرمی برای این حالت به ترتیب 0/83 و 4/41 الکترون ولت محاسبه شدند. این تغییر انرژی فرمی را میتوان افزایش حاملهای بار از نوع حفره در اثر حضور اتمهای فلور و کلر نسبت داد.
با افزودن اکسیژن، شکل e - 2 و هچنین سیلیسیم، شکل f - 2، به نانو صفحهی فسفرین خالص، گاف نواری به طور کامل از بین رفته و فسفرین گذار فاز از حالت نیمرسانا به رسانا را تجربه میکند. بعلاوه، برای هر دو نوع اتم ناخالصی اکسیژن و سیلیسیم، سطح فرمی به طور قابل ملاحظهای به سمت نوارهای ظرفیت - به ویژه برای اکسیژن - جا به جا میشود و مقدار انرژی فرمی در حضور اکسیژن و سیلیسیم به ترتیب 6/98 و 5/11 الکترون ولت میباشد.
