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GeSe 纳米片和纳米带的可调电子结构
摘要：
硒化锗（GeSe）是磷化烯等电子化合物，最近在实验中得到了广泛的研究。在本文中，我们使用自洽的计算方法研究了二维和准一维 GeSe 的电子结构和传输特性。计算出GeSe能带结构在zigzag方向伸缩和armchair方向伸缩，均能扩大二维GeSe纳米片的能带带隙。然而，armchair方向的压缩会减小 2D GeSe 纳米片的带隙。此外，两个方向的适当压缩可以使二维 GeSe 纳米片从间接带隙变为直接带隙。当二维 GeSe 纳米片被切割成准一维纳米带时，能带结构可以通过zigzag和armchair变化。未钝化的zigzag形 GeSe 纳米带是金属，与带宽度无关。 H钝化的zigzag形GeSe纳米带是具有直接带隙的半导体，带隙随着带宽的增加而减小。未钝化的armchair式 GeSe 纳米带是具有直接带隙的半导体，而 H 钝化的armchair式 GeSe 纳米带是具有间接带隙的半导体。它们的带隙都随着带宽的增加而减小。此外，我们发现未钝化的zigzag形GeSe纳米带和H钝化的zigzag形GeSe纳米带的面内接触结构。
介 绍：
具有单层厚度的二维 (2D) 材料，例如石墨烯、1,2 硅烯、3,4 磷烯、5,6 和过渡金属二硫属化物 (TMD),7-9，因为它们具有不同的新特性，最近引起了极大的兴趣从他们的大宗同行。基于二维材料的电子和光电器件的小规模，是解决传统硅基器件小型化问题的一种可行方式。到目前为止，已经在这些二维器件中发现了各种有趣的电子传输特性，例如开关、10-12 整流器、13-15 负差分电阻、16-18 和场效应晶体管 19、20。此外，在这些二维材料的纳米带之间切换的许多分子也可以制成功能电子、自旋电子学和光电器件。 21-24 除了进一步探索现有二维材料的新特性外，寻找新的二维材料最近已扩展到包括 V 族元素的相似元素，即 IV-VI 二元类似片，如 GeS、SnS、GeSe、SnSe 和 SiTe。25-30 其中，Ge 基硫化物，如 GeSe，具有由于其独特的光学和电子特性，以及它们的高稳定性、丰富性、环境友好性和低毒性而被广泛研究。 GeSe 的每一层都可以是由六边形组成。理论研究表明，二维 GeSe 纳米片在独立状态下是动态稳定的，与磷烯具有相似的半导体形态。 31-33 实验结果表明，GeSe 是 IV-VI p 型半导体，在范围为 1.0-1.2 eV.34-36 到目前为止，已经报道了基于 GeSe 纳米片的光开关行为，这揭示了与其他 TMD 相当的光响应性。35-38 其固有的物理特性和未来在功能器件中的应用仍然缺乏系统知识.因此，在这个在本文中，我们对 GeSe 纳米片的可调电子结构和 GeSe 纳米带的传输特性进行了全面的第一性原理研究。结果表明，GeSe纳米片的能带结构可以通过外部应变进行有效调制。当其纳米片被切割成纳米带时，能带结构对带宽和钝化很敏感。
图 1. 2D GeSe 纳米片的几何形状 (a) 和相应的能带结构 (b)。 (c) GeSe 的总 DOS 和 Se 和 Ge 的预计 DOS。 Se (d) 和 Ge (e) 的 s 和 p 轨道的投影 DOS。
图 2. 不同应变下二维 GeSe 纳米片的带隙 (a) 和能带结构 (b)。费米能量在能量标度中设置为零。这里，“-”表示压缩，“ ”表示拉伸。
方法：
几何优化和电子传输特性使用基于密度泛函理论 (DFT) 结合非平衡格林函数 (NEGF) 的第一性原理软件包 Atomistix ToolKit (ATK) 计算。39-41 交换和相关性由 Perdew 描述minus;Burkeminus;Ernzerhof (PBE) 泛函在广义梯度近似 (GGA) 下。实际空间网格技术使用 150 Ry 的能量截止作为数值积分中所需的截止能量，并使用快速傅里叶变换 (FFT) 求解泊松方程。 1times;45times;45和1times;1times;45的Monkhorst-Pack k点网格分别用于二维纳米片和一维纳米带的电子计算。几何形状被优化，直到每个原子上的所有残余力都小于 0.05 eV Aring;-1。当向器件施加偏置电压时，电流 I(Vb) 可以通过朗道尔公式计算：I(V) =T E V( ,b)[fL(E V,b) -fR(E V,b)] dE.42这里， Vbis为偏置电压，T(E,Vb)为透射系数，fL(E,Vb)和fR(E,Vb)为左右电极的费米-狄拉克分布函数。
结果与讨论
图 1a 描绘了 2D GeSe 纳米片的几何结构，类似于磷烯。沿zigzag形方向的晶格常数 a 和沿armchair方向的 b 分别为 3.88 和 4.45 Aring;。图 1b 中 2D GeSe 纳米片的能带结构表明，2DGeSe 纳米片是一种间接带隙为 1.04 eV 的半导体，这与之前的实验结果 34-36 和使用其他方法获得的理论结果一致。 43,44 的投影密度图 1c 中的 PDOS 表明价态起源于 Ge 和 Seequally，而传导态主要由 Ge 组成。如果将DOS进一步投影到原子的单独轨道上，可以发现对价态的贡献主要来自Se和Ge的p轨道。 Ge的s轨道对价态有一些贡献，但Se的s轨道的贡献几乎为零。传导态主要来源于Ge的p轨道；其山梨醇的贡献也为零。图 3. 未钝化 (a) 和 H-钝化 (b) 8-zigzag 和 12-zigzag GeSe 纳米带的计算能带结构。 (a) 和 (b) 中的右图显示了对应于 1 和 2 波段的布洛赫状态的轮廓。等值面值为 0.02。费米能量在能量标度中设置为零。图 4. 未钝化 (a) 和 H-钝化 (b) 8 armchair和 12 armchair GeSe 纳米带的计算能带结构。 (a) 和 (b) 中的右图显示了对应于 1 和 2 波段的布洛赫状态的轮廓。等值面值为 0.02。费米能量在能量标度中设置为零。由于 2D IV-VI 半导体的几何结构与磷烯相似，因此其电子结构也会对面内应变像磷烯一样易变。45-47应变可以理解为应用于材料的弹性场，可用于调整材料的物理性质。在不同的应变下，由于弹性场和晶体场的相互作用，晶体的几何结构发生了变化，从而导致材料中电子密度的分布不同，进而导致电子特性的变化。最近，已经发现二维 GeS 纳米片的带隙在外部应变下受到调制。48 因此，面内应变对二维 GeSe 纳米片能带结构的影响值得深入研究。通常，双轴均匀应变被认为是调制材料的能带结构。尽管二维 GeSe 纳米片与磷烯相似，但仍存在一些差异。与磷烯不同，2D GeSe 由两种化学元素 Ge 和 Se 组成，导致沿armchair或之字形方向的面内弹性刚度不同。如果添加双轴均匀应变，二维GeSe的几何结构将发生巨大变化，甚至形成缺陷。因此，在本文中，我们只考虑单轴应变。图 2a 显示了二维 GeSe 纳米片带隙的演变，其中沿zigzag形和armchair方向施加了面内应变。与磷烯和 GeSe 一样，2D GeSe 纳米片的带隙也对面内应变敏感。当纳米片沿之字形方向被压缩或拉伸时，带隙都会随着应变的增加而扩大。此外，可以看出压缩的可调效果比拉伸的更明显。带隙在 -10% 压缩应变下变为 1.27 eV，在 10% 拉伸应变下变为 1.16 eV。图 2b 显示了 2D GeSe 纳米片在 plusmn;8 和 plusmn;10% 应变下沿zigzag形方向的详细能带结构。可以看出，拉伸只是扩大了价带最大值（VBM）和导带最小值（CBM）之间的间接带隙。 VBM 和 CBM 的相对位置没有改变。
图 3. 未钝化 (a) 和 H-钝化 (b) 8-zigzag 和 12-zigzag GeSe 纳米带的计算能带结构。 (a) 和 (b) 中的右图显示了对应于 1 和 2 波段的布洛赫状态的轮廓。等值面值为 0.02。费米能量在能量标度中设置为零。
图 4. 未钝化 (a) 和 H-钝化 (b) 8 armchair和 12 armchair GeSe 纳米带的计算能带结构。 (a) 和 (b) 中的右图显示了对应于 1 和 2 波段的布洛赫状态的轮廓。等值面值为 0.02。费米能量在能量标度中设置为零。
方向。可以看出，拉伸也扩大了 VBM 和 CBM 之间的间接带隙。然而，压缩应变使间接带隙变为-8% 的直接带隙。带隙沿armchair或之字形方向的不同变化主要是由于 GeSe 的特殊几何结构。 GeSe由两种不同的化学元素组成，键长和键角等几何结构沿armchair和之字形方向不同。更重要的是，沿着armchair方向的应变可以改变共面和非平面 Ge 和 Se 原子之间的键长。然而，沿Z字形方向的应变主要改变共面Ge原子和Se原子之间的键长。因此，我们在工作中沿着armchair或之字形方向获得了不同的带隙变化。最近一篇研究 GeSe/磷烯异质结构的可调电子特性的论文也有相同的结果。 GeSe/磷烯异质结构的能带结构沿armchair或之字形方向的变化是不同的。 49当磷烯被切割成纳米带时，其能带结构可以明显受到带宽和钝化的调节。50-53 磷烯纳米带的传输特性，特别是zigzag形磷烯纳米带，也被几个小组探索了。54-57 因此，我们也研究了具有不同宽度（Na和Nz）和钝化的GeSe纳米带的电子结构。我们首先计算了zigzag形 GeSe 纳米带的磁性，发现 H 钝化和未钝化的zigzag形 GeSe 纳米带都是非磁性的。我们还计算了armchair GeSe 纳米带的磁性，得到了相同的结果； H-钝化或未钝化的armchair GeSe 纳米带也是非磁性的。因此，本文不考虑armchair和zigzag形 GeSe 纳米带的自旋极化能带结构。图 3 说明了未钝化 (a) 和钝化 (b) 8-之字形和 12-之字形 GeSe 纳米带的能带结构。未钝化的 8-zigzag 和 12-zigzag GeSe 纳米带的能带结构都表现出金属特性。两条带穿过费米能级，意味着存在两个一维金属态。对应于 1 和 2 带的布洛赫态的轮廓表明这两种金属态分别位于 GeSe 纳米带的边缘。此外，纳米带的宽度对其费米能量附近的能带结构没有影响。 H钝化8-之字形GeSe纳米带的能带结构表现出具有直接带隙的半导体特性。 Bloch 态的轮廓表明 VBM 和 CBM 态与分别位于 GeSe 纳米带边缘的未钝化 8 zigzag形 GeSe 纳米带的状态相同。当宽度 Nz 增加时，VBM 和 CBM 都向费米能级移动，导致带隙减小。对于 12 字形 GeSe 纳米带，CBM 与费米能级重叠，其能带结构呈现金属特征。换句话说，H 钝化的zigzag形 GeSe 纳米带的能带结构对其宽度非常敏感。与zigzag形 GeSe 纳米带相反，图 4 中的能带结构表明所有armchair式 GeSe 纳米带都是半导体。未钝化的 8 armchair和 12 armchair GeSe 纳米带的能带结构都表现出具有直接带隙的半导体特性。 Bloch 状态的轮廓显示 CBM 状态 (1) 主要定位在 GeSe 纳米带的一个边缘，但 VBM 状态 (2) 在整个 GeSe 纳米带上离域。当宽度 Na 增加时，12 armchair GeSe 纳米带的 VBM 和 CBM 都略微转移到费米能级，导致带隙的微小减小。 Hpassivated 8-armchair 和 12-armchair GeSe 纳米带的能带结构仍然表现出具有间接带隙的半导体特性。 Bloch 状态的轮廓显示 (1) CBM 状态在整个 GeSe 纳米带上离域，包括钝化的 H 原子，但 (2) VBM 状态在 GeSe 纳米带的中心区域定位。此外，可以看出宽度的增加也可以减小H-钝化armchairGeSe纳米带的带隙，但这并不明显。为了进一步探索宽度对 GeSe 纳米带带隙的影响，未钝化的armchair、H-钝化的armchair和 H-钝化的zigzag形 GeSe 纳米带的带隙变化与宽度 N 的关系如图 5 所示。它可以可以看出，所有配置的带隙都随着纳米带宽度的增加而减小。未钝化的armchair GeSe 纳米带的带隙对其宽度不敏感，仅在 0.69 eV (Na = 4) 到 0.51 eV (Na = 26) 之间变化。然而，钝化armchair GeSe 纳米带的带隙从
图 6. (a) 基于未钝化的 4 字形 GeSe 纳米带（红色虚线）和 H 钝化的 4 字形 GeSe 纳米带（蓝色虚线）的肖特基接触结构的几何示意图。 M 和 N 是中心区域中未钝化和 H 钝化的 4 字形 GeSe 纳米带的长度。 (b) 具有不同长度 H 钝化的 4 zigzag形 GeSe 纳米带的肖特基接触结构的透射光谱。费米能量在能量标度中设置为零。
未钝化和 H 钝化的
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