بخشی از مقاله
چکیده - ابرشبکه رویکردی جدید برای غنی کردن گروهی از مواد به خواص جدیدی فراهم می آورد. در اینجا گزارشی از ساختار و ویژگی های الکترونیکی ابرشبکه های ساخته شده توسط انباشت جایگزینی از ژرمانین شش ضلعی دو بعدی - یا - silicene و MoS2 تک لایه با استفاده از روش اصول اولیه، ارایه و نتایج با ابرشبکه های گرافینMoS2 / مقایسه شده است. نتایج نشان می دهد که هر دو ابرشبکه ی ژرمانینMoS2 / و سیلیسنMoS2/ به طرز آشکاری فلزی هستند، نوارهای خطی حول نقطه ی دیراک ژرمانین و سیلیسن حفظ شده اند.
با این حال نوار شکاف کوچکی در نقاط دیراک هر دو شبکه باز شده اند که ناشی از شکست تقارن در اثر اضافه کردن صفحات MoS2 در لایه های سیلیسن و ژرمانین است. افزون بر این، انتقال بار الکتریکیعمدتاً درون ژرمانین - یا سیلیسن - و لایه های MoS2 - انتقال - Intra-layer و همچنین در بعضی از بخش ها در نواحی حدواسط بین ژرمانین - یا سیلیسن - و لایه های MoS2 - انتقال - Inter-layer، که به معنای فعل و انفعالاتی بیش از مبادلات van der Waals در صفحات انباشت در ابر شبکه هاست ،رخ می دهد.
-1 مقدمه
در دهه ی گذشته، سیستم های هیبریدی شامل گرافین و مواد متنوع دو بعدی - D2 - به طور گسترده هم به صورت آزمایشگاهی و هم به صورت نظری مورد مطالعه ی گسترده قرار گرفته اند [6-1] .مدت زمان طولانی است که ویژگی های انتقال حرارتی، نوری و الکتریکی هیبریدهای گرافینی شناخته شده است معمولاً انحراف بارزی را از همتایان عمده ی خود به نمایش می گذارند که ناشی از ترکیباتی از تغییرات کنترل شده در ضخامت و ترکیب بندی لایه ها می باشند .
[6,7] افزون بر این استفاده از مواد دو بعدی می تواند برای کاربردهای وسیع در فناوری نانو [13-8] و فناوری حافظه [16-14] مفید باشد. در میان سیستم های هیبریدی، ابرشبکه ها به عنوان یکی از امیدوارکننده ترین سیستم های مواد مهندسی در ابعاد نانو برای استفاده در زمینه هایی همانند ترموالکتریک، میکرو الکترونیک و الکتریک نوری می باشند .[19-17] در حالی که علاقه به تحقیق در مورد ابرشبکه های گرافینی به سرعت در حال افزایش است، مردم شروع به طرح این پرسش کرده اند که آیا گرافین را می توان با خانواده ای نزدیک به آن، همانند بلورهای شش ضلعی دو بعدی Si و Ge، به اصطلاح سیلیسن و ژرمانین، جایگزین کرد.
سیلیسن و ژرمانن نیمه هادی های zero-gap با حاملان بار الکتریکی بدون جرم فرمیون هستند و نوارها ی آن ها در سطح Fermi خطی هستند .[20] سیستم های شامل سیلیسن و ژرمانن ممکن است در استفاده احتمالی در آینده در تجهیزات نانوالکتریک بسیار مهم باشند. مجتمع ساختن ژرمانین و سیلیسن در نانوالکتریک های اساس Si بسیار مطلوب تر از گرافین است، که بدلیل آشفتگی ناشی از لایه ی حمایتی آن که تنها به ضخامت یک اتم است، آسیب پذیر شده است.
ژرمانن - یا سیلیسن - ، همتای گرافین، پیش بینی می شود که هندسه ای با ساختار کندو عسلی با خمیدگی در پایین داشته باشد که ساختاری بسیار پایدار درمقایسه با ساختارهای مسطح گرافین است .[22- 20] شباهت میان ژرمانین، سیلیسن و گرافین از این واقعیت نشأت می گیرد که Ge، Si و C متعلق به یک گروه از جدول تناوبی عناصر هستند که به همین دلیل ساختار الکترونیکی مشابه دارند. Ge و Si شعاع یونی بزرگتری دارند که هیبرید شدن sp3 را ترویج می دهد در حالی که برای اتم های C هیبرید شدن sp2 از منظر انرژی جذاب تر است.
در سطوح اتمی دو بعدی اتم های Si و Ge پیوند به ترکیبی از هیبرید شدن sp2 و sp3 شکل می گیرد. در نتیجه، ژرمانن و سیلیسن بوسیله ی یکی از دو زیرشبکه ی کندو عسلی که به صورت عمودی جابه جا شده است، خمیده می شود. در حقیقت اخراًی مطالعاتی در مورد ابرشبکه ها ی شامل ژرمانیوم با لایه های سیلیکون انجام شده است. به طور مثال، هدایت گرمایی سیستم های ابرشبکه ی Si/SiGe و Si/Ge مطالعه شده اند [25-23]، که نشان می دهد که سیستم در جهت -cross یا in-plane، کاهش هدایت گرمایی را در مقایسه با مراحل حجیم ترکیبات لایه، نشان می دهد که عملکرد تجهیزات ترموالکتریکی را بهبود می بخشد.
همچنین مشخص شده است که در ابر شبکه های ZnSe/Si و [26] ZnSe/Ge شکاف های انرژی بنیادی با کاهش دوره ابرشبکه افزایش می یابد و اینکه لایه-ی س یلیکونی و یا ژرمانیومی نقش مهمی را در تعیین شکاف انرژی بنیادی ابرشبکه به دلیل اثر حبس فضای کوانتومی، دارد. در نتیجه مطالعات این مواد هیبریدی برای طراحی تجهیزات نانوتکنولوژی مهم است. در این کار، ساختار و ویژگی های الکترونیکی ابرشبکه های ساخته شده توسط انباشت جایگزین لایه-های ژرمانین و سیلیسن با تک لایه ی MoS2 با استفاده از محاسبات تئوری تابع چگالی با ضریب تصحیح van der Waals - vdW - به صورت سیستماتیک مورد تحقیق و بررسی قرار گرفته است.
به علاوه، نتایج ابرشبکه های Ger/MoS2 و Sil/MoS2 با ابرشبکه ی گرافین[6] MoS2/ مقایسه شده است تا ویژگی های مرتبط با گروه ششم اتمی C، Si و Ge در ابرشبکه ها بررسی شود. نتایج نشان می دهد که Ger/MoS2 و Sil/MoS2 شامل لایه های هادی ژرمانن و سیلیسن و لایه های تقرباًی مجزای MoS2 است. به اضافه، نوار شکاف های کوچک در نقطه ی K ناحیه ی Brillouin - BZ - باز می شوند، که دلیل آن از بین رفتن تقارن لایه های ژرمانن و سیلیسن به دلیل اضافه کردن لایه های MoS2 است.
توزیع بار محلی شده ای بین اتم های Ge-Ge یا Si-Si و اتم های S مجاور تشکیل می شود که با ابرشبکه ی گرافینMoS2/ متفاوت است و درآن مقدار کوچکی از بار از لایه ی گرافین به صفحه ی MoS2 منتقل می شود.[6] نقش کانتورها - خطوط واصل - برای توزیع مجدد شارژ نشان می دهد که انتقال بار بین برخی نواحی میانی بین لایه های ژرمانن/سیلیسن و MoS2 واضح است و بیش از مبادلات van der Waals در صفحات انباشت در ابرشبکه را نشان میدهد.
روش ها
محاسبات کنونی بر اساس تئوری تابع چگالی - - DFT و نمایش projector-augmented wave - PAW - بنا نهاده شده است [27] همانطور که در Vienna Ac Initio Simulation Package - VASP - ساخته شده است .[28,29] با اثر متقابل تبادل همبستگی - exchange-correlation - با تخمین گرادیان عمومی - GGA - برخورد شده است که با فرمول Perdew- Burke-Ernzerhof - PBE - پارامتر گذاری شده است DFT .[30] استاندارد، که در آن توابع محلی یا نیمه محلی فاقد عنصر اساسی برای توصیف عوامل غیر محلی است، نشان داده است به شکل دراماتیکی به نوار شکاف سیستم های مختلف کم توجهی کرده است.
برای توصیف بهتر نوار شکاف باید اصلاحیه ای به تخمین DFT جاری اضافه شود .[31,32] در آن سو، همانطور که شناخته شده است توابع چگالی محبوب توانایی توصیف صحیح مبادلات vdW ناشی از همبستگی دینامیکی بین توزیع نوسانی بار را ندارند .[33] در نتیجه برای بهبود توصیف مبادلات van der Waals که ممکن است نقش مهمی در لای ه ابرشبکه های ارایه شده ایفا کنند ضریب تصحیح vdW را با استفاده از روش PBE-D2 به محاسبات [34] GGA اضافه کردیم. توابع موج تا سطح موج قطع انرژی جنبشی420 eV گسترش داده شده اند. ناحیه ی تجمیع Brillouin با استفاده از نمونه گیری خاص نقطه ی K شماتیک[35] Mankhorst-Pack با گرید و با مرکزیت تخمین زده شده است. پارامترهای سلولی و مختصات اتمی مدل ابرشبکه به طور کامل آسوده شده اند تا اینکه نیرو روی هر اتم کم تر از 0.01 Ev شود.
نتایج و مباحث
ژرمانین و سلیسین ایستاده ی آزاد خمیده ثابت شبکه ها به ترتیب برابر با 4.013 و 3.847 محاسبه شده اند، که با مقدار گزارش شده ی 4.061 و 3.867 به ترتیب برای ژرمانین و سلیسین همخوانی دارد .[36] مقدار ثابت شبکه ی بهینه شده در این مقاله برایMoS2 تک لایه برابر با 3.188 است که مقدار مشابه محاسبه شده توسط محاسبات PBE است .[37 ] اگرچه مقدار ثابت شبکه ی ژرمانن/سیلیسن و MoS2 تک لایهکاملاً متفاوت هستند،اما همه ی آن ها یک ساختار سلولی شش ضلعی را به اشتراک می گذارند. برای ساخت مدل محاسباتی برای شبکه ی Ger/MoS2 و Sil/MoS2 و کمینه کردن اختلاف شبکه بین صفحات انباشت، ما از ابر سلول هایی شامل واحدهای سلول ژرمانیوم - و سیلیسن - و واحدهای سلول تک لایه ی MoS2 در صفحه ی x-y استفاده کرده ایم.
در نتیجه a4 - ژرمانین - = 16.052 و a4 - سلیسین 15.388 = - و MoS2 - a5 تک لایه - = 16.052 ، که منجر به اختلاف شبکه ی حدود %0.70 بین ژرمانین و MoS2 تک لایه و %3.46 بین لایه های سیلیسن و MoS2 شده است. در مقایسه با سیستم های هیبریدی که در گذشته مورد بررسی قرار گرفته است [42-38] اختلاف مقدار شبکه ی حاضر مقدار کوچکی است. در محاسبات، ابتدا، مقدار ثابت ژرمانن/ سیلیسن - ager/sil4 - تنظیم شده است تا با مقدار MoS2 تک لایه در ابر سلول مطابقت پیدا کند. پس از این ابرسلول به طور کامل برای ثابت شبکه و هندسه ی اتمی آسوده شده اند. اختلاف در نهایت حذف خواهد شد و منجر به سیستمی مناسب خواهد شد. ابرشبکه ای که ما در این کار معرفی شد، ساخته شده بوسیله ی هیبریدهای ژرمانن یا سیلیسن با تک لایه ی MoS2، در شکل 1 نشان داده شده است.
ابرسلول ها شامل انباشت جایگزین یک صفحه ی ژرمانین یا سیلیسن و یک تک لایه ی MoS2 است با 32 اتم Ge یا Si، 25 اتم Mo و 50 اتم S به ازای هر ابرسلول. برای هر اتم Ge یا Si جذب شده در تک لایه ی MoS2 سه محل جذب ممکن است، به عبارت دیگر، جایگاهی مستقماًی بالای اتم Mo، جایگاهی مستقماًی بالای اتم S و جایگاهی توخالی بالای مرکز شش ضلعی .Mo-S برای ابرشبکه ی Ger/ MoS2 و Sil/ MoS2 ، ما دو نمونه ترکیب ممکن از ژرمانن/سیلیسن بر روی تک لایه ی MoS2 را در نظر گرفتیم: - - 1 یک اتم Ge یا Si در ابرسلول - واحد سلول - مستقماًی بر روی اتم Mo/S قرار داده شده است - موقعیت بقیه ی اتم های Ge یا Siبعداً تعیین می شود - . در این وضعیت، یک اتم Ge یا Si نیز در ابرسلول بر روی اتم S/Mo می نشیند؛ شکل c1 را ببینید.
- 2 - یک اتم Ge یا Si در ابرسلول تعیین شده تا در بالای فضای خالی مرکز شش ضلعی MoS2 بنشیند، همانطور که در شکل d1 نشان داده شده است. از محاسبات اخیر این مشخص می شود که اختلاف انرژی اتصال در مدل های بالایی ابرشبکه بسیار کوچک است - حدود 1 تا - meV 2، که نشان می دهد که انرژی ابرشبکه ها نسبت به لایه های انباشت اتم حساسیت ندارد. در نتیجه ما در این کار تنها نتایج ساختار یک اتم Ge یا Si بر روی اتم Mo یا S را نشان می دهیم . در همه ی انواع انباشت، ویژگی دو بعدی ساختارهای ابرشبکه نگه داشته شده است، برای مثال، شبکه ی اتمی شش ضلعی دیده شده در هر دو شکل c,d1 که ساختار هندسی بهینه شده ی ابرسلول را نشان می دهد. در واقع با آسوده سازی اتمی تغییرات ساختار ابرشبکه ها بسیار کوچک هستند.
ثابت شبکه ی محاسبه شده ی ابرشبکه های Ger/MoS2 و Sil/MoS2 به ترتیب برابر با 15.976 و 15.736 است. در ابرشبکه ی Ger/MoS2 لایه های ژرمانن در مقایسه با ژرمانن ایزوله شده ی مشابه %0.47 - از 4.013 تا - 3.994 فشرده تر شده است، در حالی که لایه های MoS2 حدود %0.22 در مقایسه با تک لایه ی مستقل MoS2 حدود %0.22 - از 3.188 تا - 3.195 بسط یافته است. از آن سو، برای مورد ابرشبکه ی Sil/ MoS2 لایه های سیلیسن در ابرشبکه حدود %2.26 - از 3.847 تا - 3.934 گسترش یافته است در حالی که لایه های MoS2 در ابرسلول %1.29 - از 3.188 به - 3.147 کاهش پیدا کرده است.
