CC BY
3SoVbTv™ НОВЫЕ МАТЕРИАЛЫ, АКТИВНЫЕ СРЕДЫ И НАНОСТРУКТУРЫ
Анализ влияния механических деформаций на электронные характеристики графена, осажденного на диэлектрическую подложку из дителлурида молибдена
Кулямин П.А.
Федеральный исследовательский центр «Институт общей физики им. А.М. Прохорова Российской академии наук», Москва Е-mail: kulyamin.pavel@,gmail. com
DOI: 10.24412/cl-35673-2022-1-66-68
Графен вызывает большой интерес у научного сообщества с момента его экспериментальной реализации в 2004 г. [1] благодаря ряду уникальных свойств: аномально высокая подвижность носителей заряда, механическая прочность. Графен является бесщелевым полупроводником с линейным законом дисперсии носителей заряда вблизи уровня Ферми. Это означает отсутствие у данного материала запрещённой зоны, что является серьёзным препятствием для использования графена в логических и высокоскоростных коммутационных устройствах, таких как полевые транзисторы или устройства спинтроники.
В частности, один из путей получения запрещённой зоны в графене — создание на его основе сложных композитных структур, что обеспечивает простой способ настройки электронных свойств такого материала с помощью внешнего электрического поля [2]. Получающийся материал обладает двумерной кристаллической решёткой, аналогичной графену, что позволяет легко расположить его под графеном.
Настоящее исследование направлено на модельное изучение влияния структурных деформаций на величину диэлектрической щели у графена на подложке из дителлурида молибдена.
Расчеты проводились в программном пакете QuantumEspresso [3]. Была использована теория функционала плотности с обобщенной градиентной апроксимацией (GGA) в параметризации Пердью-Берка-Эрнзерхофа (PBE). Из-за отсутствия сильных связующих взаимодействий между графеном и подложками ожидается, что слабые Ван-дер-Ваальсовы взаимодействия будут вносить немалый
ШКОЛА-КОНФЕРЕНЦИЯ МОЛОДЫХ УЧЁНЫХ
-------------1Е НЕДЕЛИ»
18-20 октября 2022 г
вклад в результирующий расчет. Поскольку стандартный функционал РВЕ не может хорошо описать слабые взаимодействия, мы приняли коррекцию vdW (DFT-D3). 2D - зона Бриллюэна отбирается по 8 8 1 к - точкам в рамках схемы Монкхорста-пака для структурной оптимизации и 24 24 1 к - точкам для расчетов электронных структур.
В результате работы были рассчитаны такие электронные характеристики графена на подложке из дителлурида молибдена, как плотность электронных состояний и зонная структура. Из полученных электронных характеристик были получены величина диэлектрической щели у исследуемого материала. Также было исследовано влияние структурной деформации элементарной ячейки на величину полученной запрещенной зоны.
— . (1) Формула (1) показывает взаимосвязь между размером диэлектрической щели и электропроводностью [4]. з
г к
Рис. 1. Зонная структура и плотность электронных состояний Те2Мо на подложке из графена с уменьшенной на 8 % элементарной
ячейкой.
На рис. 1 показана зонная структура и плотность электронных состояний на подложке из графена с уменьшенной на 8 % элементарной ячейкой. На рис. 2 представлена зависимость ширины запрещенной зоны от величины деформации.
НОВЫЕ МАТЕРИАЛЫ, АКТИВНЫЕ СРЕДЫ И НАНОСТРУКТУРЫ
Рис. 2. Зависимость ширины запрещённой зоны от величины
деформации.
Из графика ясно видно, что при сжатии элементарной ячейки открывается значительная диэлектрическая щель. Было проведено исследование зависимости величины диэлектрической щели от величины структурной деформации (растяжение и сжатие). Самая широкая запрещенная зона (0.8 эВ) образуется при сжатии элементарной ячейки на 8 %. Главным препятствием в использовании графена для логических и высокоскоростных устройств является отсутствие в нем запрещенной зоны. Настоящая работа предоставляет эффективный способ регулировки ширины запрещенной зоны.
Выражаю благодарность своему научному руководителю Игнатову А.М. и научному консультанту Маслову М.М. за ценные советы при планировании исследования и рекомендации по оформлению статьи.
1. Novoselov K.S., Geim A.K., Morozov S.V., et al. Science. 2004, 306(5696), 666-669.
2. Ma Y., Dai Y., Guo M., and Huang B. Phys. Rev. B. 2012, 85, 235448
3. Giannozzi P. et al. J. Phys.: Condens. Matter. 2017, 29, 465901.
4. S. Li. Semiconductor Physical Electronics, second ed., Springer, Berlin, 2006.
