CC BY
25МАТЕРИАЛЫ ЭЛЕКТРОНИКИ ELECTRONICS MATERIALS
Научная статья УДК 537.9
doi:10.24151/1561-5405-2022-27-3-283-289
Моделирование транспортных свойств одномерного ван-дер-ваальсового гетероперехода, образованного углеродной нанотрубкой и нанотрубкой MoS2
Д. А. Тимкаева
Ульяновский государственный университет, г. Ульяновск, Россия [email protected]
Аннотация. Комбинирование двумерных слоистых материалов для гетерогенной интеграции на атомном уровне без ограничения согласования решеток возможно в силу концепции гетероструктур Ван-дер-Ваальса. Такие структуры имеют уникальные физические свойства и перспективны для использования в наноэлектронике и фотонике. Правильный выбор и объединение 2D-полупроводников дает возможность настроить излучение в широком диапазоне частот. В работе представлены результаты моделирования транспортных свойств одномерного ван-дер-ваальсового гетероперехода, образованного одностенной углеродной нанотрубкой, встроенной в соосную молибденитовую нанотрубку (MoS2). С помощью первопринципных методов рассчитаны спектры пропускания гетероперехода при комнатной температуре и ВАХ. Рассматриваемые системы могут применяться в качестве нанодиодов с контролируемой шириной области пространственного заряда.
Ключевые слова: транспортные свойства, гетероструктура Ван-дер-Ваальса, одностенные углеродные нанотрубки, нанотрубки MoS2, нанодиод
Финансирование работы: работа выполнена при финансовой поддержке Минобрнауки России (задание 0830-2020-0009).
Для цитирования: Тимкаева Д. А. Моделирование транспортных свойств одномерного ван-дер-ваальсового гетероперехода, образованного углеродной нанотрубкой и нанотрубкой MoS2 // Изв. вузов. Электроника. 2022. Т. 27. № 3. С. 283-289. doi: https://doi.org/10.24151/1561-5405-2022-27-3-283-289
© Д. А. Тимкаева, 2022
Original article
Modeling transport properties of a one-dimensional van der Waals heterojunction formed by a carbon nanotube and a MoS2 nanotube
D. A. Timkaeva
Ulyanovsk State University, Ulyanovsk, Russia [email protected]
Abstract. Combining 2D layered materials for heterogeneous integration at the atomic level without limiting lattice matching is possible by force of the van der Waals heterostructure concept. Such structures have unique physical properties and are promising for use in nanoelectronics and photonics. Adequate choice and assembling of 2D semiconductors makes it possible to calibrate emission in broad band. This work presents the results of modeling the transport properties of a one-dimensional van der Waals heterojunction formed by single-walled carbon nanotube embedded in a coaxial molybdenite nanotube (MoS2). Using ab initio methods, the transmission spectra of the heterojunction at room temperature and the current-voltage characteristics have been calculated. The systems under consideration can be applied as nanodiodes with controlled spacecharge region width.
Keywords: transport properties, van der Waals heterostructure, single-walled carbon nanotube, MoS2 nanotube, nanodiode
Funding: the work has been supported by the Ministry of Science and Higher Education of the Russian Federation (program 0830-2020-0009).
For citation: Timkaeva D. A. Modeling transport properties of a one-dimensional van der Waals heterojunction formed by a carbon nanotube and a MoS2 nanotube. Proc. Univ. Electronics, 2022, vol. 27, no. 3, pp. 283-289. doi: https://doi.org/10.24151/1561-5405-2022-27-3-283-289
Введение. Комбинации двумерных кристаллов с различными свойствами приводят к образованию ван-дер-ваальсовых гетероструктур с новыми функциональными возможностями. При правильной комбинации параметров можно получить одномерные структуры с требуемыми свойствами. Вертикальные гетероструктуры формируются путем последовательного перенесения слоев, возникшие силы Ван-дер-Ваальса удерживают слои в единой структуре. С помощью правильного выбора и объединения 2D-полупроводников (монослоев дихалькогенидов металлов) можно настраивать излучение в широком диапазоне частот.
В работе [1] концепция ван-дер-ваальсовых гетероструктур применяется к одномерным структурам. Коаксиальные монокристаллические слои гексагонального нитрида бора и кристаллы дисульфида молибдена MoS2 выращивали на одностенных углеродных нанотрубках (ОУНТ). Отмечается отсутствие корреляции между слоями внутренних и внешних нанотрубок. Металлические или полупроводниковые ОУНТ могут использоваться в качестве электродов или каналов для трубчатого устройства. Одномерные гетероструктуры представляют интерес как с фундаментальной, так и с при-
кладной точек зрения [1-4]. Такие гетеронанотрубки могут применяться в нанотран-зисторах [1], оптических антеннах [5], микросуперконденсаторах [6], термоэлектрических устройствах [7, 8] и т.п. В работе [9] рассмотрен гибридный диод на основе углеродной нанотрубки, в которой ^-и-переход сформирован комбинацией легирования с поперечным электрическим полем, создаваемым заряженным электродом затвора. Реализация такого устройства основана на приближении экранирования, которое предполагает, что свойства левого и правого электродов могут быть описаны путем решения задачи для полностью периодической ячейки. Согласно первопринципным и полуэмпирическим методам определено, что, варьируя уровнем легирования и потенциалом затвора, можно управлять емкостью моделируемого диода.
Нанотрубки МХ2 (MoS2 и WS2) можно рассматривать как одномерные полупроводниковые квантовые системы с широкой запрещенной зоной. В отличие от нанолент они не имеют шероховатых краев с оборванными связями и характеризуются более высокой термодинамической стабильностью. В работе [2] изучается диод Шоттки МХ2 - углеродная нанотрубка с контактом на краях нанотрубок. Моделирование в работе [3] показывает неоднородное распределение области пространственного заряда в переходе Шоттки с тенденцией к переносу заряда от атомов металла и халькогена к атомам углерода. В работе [10] продемонстрировано высокоскоростное фотоиндуцированное запоминающее устройство на основе гетероструктуры MoS2 и многостенных углеродных нанотрубок. Полученные результаты подтверждают эффективность применения гете-роструктур Ван-дер-Ваальса.
В настоящей работе моделируются транспортные свойства одномерного ван-дер-ваальсового гетероперехода, образованного ОУНТ, внедренной в соосную нанотрубку MoS2. Рассматривается возможность формирования диода с высоким отношением прямого и обратного токов.
Одномерный ван-дер-ваальсовый гетеропереход нанотрубка Мо82 - ОУНТ. Моделируемый нанодиод на основе одномерной гетероструктуры Ван-дер-Ваальса на-нотрубка MoS2 - ОУНТ показан на рис. 1, а. Условно исследуемую структуру можно разделить на три части: центральная область и области левого и правого электродов. Контакт нанотрубка MoS2 - ОУНТ находится в центральной части устройства. Элек-
z, А
а б
Рис. 1. Одномерный ван-дер-ваальсовый гетероконтакт, образованный ОУНТ (9,9) диаметром 12,16 А и нанотрубкой MoS2 диаметром 13,26 А (а) и прогнозируемая локальная плотность состояния
гетероконтакта (б)
Fig. 1. A one-dimensional van der Waals heterocontact formed by SWCNT (9,9) with a diameter of 12,16 А and MoS2 nanotubes with a diameter of 13,26 А (a) and the predicted local density of the state of this
contact (b)
10"'
троды представляют собой полубесконечные ОУНТ и нанотрубки МоБ2. Моделирование проводили с помощью программного комплекса QuantumATK (Synopsys). В программе имеется матрица передачи через амплитуды передачи из состояния Блоха в левом электроде в состояние Блоха в правом электроде. Коэффициент пропускания определяется следом матрицы передачи или, что эквивалентно, суммой собственных значений передачи. Из-за возможного наличия нескольких спиновых каналов пропускания коэффициент пропускания может оказаться больше единицы.
Прогнозируемая локальная плотность состояний для моделируемого нанодиода на основе одномерной гетероструктуры рассчитывается с использованием метода теории функционала плотности (DFT), реализованного в пакете QuantumATK (Synopsys). Для описания эффектов электронного обмена и корреляции использовали приближение Пердью - Бурка - Эрнзерхофа, обобщенное на случай твердых тел (GGA-PBEsol) [11]. Для генерации k точек в зоне Бриллюэна для всех нанотрубок использовали метод Монкхорста - Пака [12] с сеткой 1 х 1 х 24. На рис. 1, б показана прогнозируемая локальная плотность состояний для моделируемого перехода. Видно искривление полос, соответствующее образованию области пространственного заряда.
Спектры пропускания и ВАХ рассчитывали с использованием метода неравновесных функций Грина, реализованного в пакете QuantumATK (Synopsys). На рис. 2 представлены спектры пропускания гетероконтактов нанотрубка МоБ2 - полупроводниковая ОУНТ с хиральностью (14,0) и МоБ2 - металлическая ОУНТ с хиральностью (9,9) с барьером Шоттки 0,6 и 1 эВ соответственно. Рассматриваемый диод Шоттки демонстрирует более высокий индекс выпрямления по сравнению с переходом нанотрубка МоБ2 - ОУНТ (14,0).
При подаче смещения на затвор 1 и -1 В наблюдается уменьшение барьера Шоттки ге-тероконтакта нанотрубка МоБ2 - ОУНТ (9,9) до значения 0,6 эВ (рис. 3), что свидетельствует о снижении выпрямляющей способности рассматриваемого диода по сравнению с равновесным случаем (см. рис. 2).
Для моделирования затвора на нижней поверхности ячейки применяли тонкую пластину с задаваемым потенциалом на ней. В программе QuantumATK (Synopsys) численно решается уравнение Пуассона и рассчитывается электрическое поле внутри ячейки. Это поле влияет на электронные свойства системы. Сила тока равна:
с о
Он
С
10
г4
10
КГ
.-6
10
10
. 1 iVxJft 1. r W 1 1 1 1 ¡rjp-
111 Д. | *и 1 ^
г 1 ¡1 i i ~t
-
г i , У i
г г = 1 1. V, 1 \U 1' W ,W : Л ^Р п 1 -н—'"t 1 1 -
-0,8
-0.4
0
0.4
0,8
Энергия, эВ
Рис. 2. Спектры пропускания гетероконтактов нанотрубка MoS2 - полупроводниковая ОУНТ (14,0) и нанотрубка MoS2 - металлическая ОУНТ (9,9) с барьером Шоттки 0,6 и 1 эВ
соответственно Fig. 2. Transmission spectra of MoS2 nanotube contacts with semiconductor SWCNT (14,0) and metal SWCNT (9,9) with a Schottky barrier of 0.6 and 1 eV respectively
I = e { T (E)[fL ( E,Tl ) - fR ( E,Tr )]dE,
где^ и fR - функции распределения электронов по энергиям (левый и правый электроды соответственно); T(£) - спектр пропускания, рассчитанный методом неравновесных функций Грина.
Рис. 3. Спектры пропускания одномерных ван-дер-ваальсовых гетероконтактов нанотрубка MoS2 -ОУНТ (9,9) (пунктирные линии) и нанотрубка MoS2 - ОУНТ (14,0) (сплошные линии) при
напряжении затвора -1 В (а) и 1 В (б) Fig. 3. Transmission spectra of a one-dimensional van der Waals heterocontact of a nanotube MoS2 -SWCNT (9,9) (dotted lines) and a one-dimensional van der Waals heterocontact of nanotube MoS2 -SWCNT (14,0) (solid lines) at a gate voltage of -1 V (a) and 1 V (b)
Рис. 4. ВАХ гетероконтактов нанотрубка MoS2 - ОУНТ (9,9) (пунктирная линия) и нанотрубка MoS2 - ОУНТ (14,0) (сплошная линия) Fig. 4. Volt-ampere characteristics of the heterocontact of the nanotube MoS2 - SWCNT (9,9) (dotted line) and the heterocontact of the nanotube MoS2 - SWCNT (14,0) (solid line)
На рис. 4 показаны ВАХ одномерных ван-дер-ваальсовых гетероконтактов нанотрубка MoS2 - ОУНТ (9,9) и нанотрубка MoS2 - ОУНТ (14,0). Коэффициент выпрямления одномерного ван-дер-ваальсового гетероперехода нанотрубка MoS2 - ОУНТ (9,0) составляет 0,32, а коэффициент выпрямления одномерного ван-дер-ваальсового гетероперехода нанотрубка MoS2 - ОУНТ (14,0) равен 0,05.
Заключение. Моделирование показало, что использование первопринципных методов расчета позволяет получить спектры пропускания для ван-дер-ваальсовых гетеропереходов на основе полупроводниковых и металлических ОУНТ близкого диаметра (соответственно 9 и 12 А), встроенных в одностенную нанотрубку MoS2, при комнатной температуре и различных напряжениях затвора. Рассмотренные системы могут служить нанодиодом с контролируемой шириной области пространственного заряда. Переход нанотрубка MoS2 - ОУНТ (14,0) демонстрирует более высокие коэффициенты
пропускания, чем диод Шоттки, как в равновесном случае, так и при подаче напряжения на затвор.
Нанодиоды на основе одномерного гетероперехода, образованного ОУНТ, внедренной в одноосную нанотрубку MoS2, перспективны для использования в наноэлек-тронике. Такие нанотрубки эффективно поглощают электромагнитные волны видимого диапазона, что ведет к дальнейшему развитию датчиков электромагнитного излучения и оптических наноантенн. Также для создания гетероперехода можно использовать другие варианты комбинированных нанотрубок, например графениленовые или окта-графеновые [13].
Литература
1. One-dimensional van der Waals heterostructures / R. Xiang, T. Inoue, Y. Zheng et al. // Science. 2020. Vol. 367. Iss. 6477. P. 537-542. doi: https://doi.org/10.1126/science.aaz2570
2. Sengupta A. On the junction physics of Schottky contact of (10, 10) MX2 (MoS2, WS2) nanotube and (10, 10) carbon nanotube (CNT): an atomistic study // Appl. Phys. A. 2017. Vol. 123. Iss. 4. Art. No. 227. doi: https://doi.org/10.1007/s00339-017-0845-1
3. Jariwala D., Marks T. J., Hersam M. C. Mixed-dimensional van der Waals heterostructures // Nature Mater. 2017. Vol. 16. Iss. 2. P. 170-181. doi: https://doi.org/10.1038/nmat4703
4. Sibatov R. T., Sun H. Tempered fractional equations for quantum transport in mesoscopic one-dimensional systems with fractal disorder // Fractal Fract. 2019. Vol. 3 (4). Art. No. 47. doi: https://doi.org/ 10.3390/fractalfract3040047
5. Single-walled carbon nanotubes as excitonic optical wires / D. Y. Joh, J. Kinder, L. H. Herman et al. // Nature Nanotech. 2011. Vol. 6. Iss. 1. P. 51-56. doi: https://doi.org/10.1038/nnano.2010.248
6. Kitsyuk E. P., Sibatov R. T., Svetukhin V. V. Memory effect and fractional differential dynamics in planar microsupercapacitors based on multiwalled carbon nanotube arrays // Energies. 2020. Vol. 13. Iss. 1. Art. No. 213. doi: https://doi.org/10.3390/en13010213
7. Blackburn J. L., Ferguson A. J., Cho C., Grunlan J. C. Carbon-nanotube-based thermoelectric materials and devices // Adv. Mater. 2018. Vol. 30. Iss. 11. Art. ID: 1704386. doi: https://doi.org/10.1002/ adma.201704386
8. Meftakhutdinov R. M., Sibatov R. T., Kochaev A. I. Graphenylene nanoribbons: electronic, optical and thermoelectric properties from first-principles calculations // J. Phys.: Condens. Matter. 2020. Vol. 32. Iss. 34. Art. ID: 345301. doi: https://doi.org/10.1088/1361-648X/ab8a9f
9. Timkaeva D. A., Sibatov R. T. Simulation of quantum transport in doped carbon nanotube diode controlled by transverse electric field // J. Phys.: Conf. Ser. 2019. Vol. 1410. No. 1. Art. ID: 012239. doi: https://doi.org/10.1088/1742-6596/1410/1/012239
10. High-performance photoinduced memory with ultrafast charge transfer based on MoS2/SWCNTs network van der Waals heterostructure / Zh. Yang, H. Hong, F. Liu et al. // Small. 2019. Vol. 15. Iss. 3. Art. ID: 1804661. doi: https://doi.org/10.1002/smll.201804661
11. Assessing the performance of recent density functionals for bulk solids / G. I. Csonka, J. P. Perdew, A. Ruzsinszky et al. // Phys. Rev. B. 2009. Vol. 79. Iss. 15. Art. ID: 155107. doi: https://doi.org/10.1103/ PhysRevB.79.155107
12. Monkhorst H. J., Pack J. D. Special points for Brillouin-zone integrations // Phys. Rev. B. 1976. Vol. 13. Iss. 12. Art. ID: 5188. doi: https://doi.org/10.1103/PhysRevB.13.5188
13. Kochaev A. I., Meftakhutdinov R. M., Sibatov R. T., Timkaeva D. A. Optical and thermoelectric properties of graphenylene and octagraphene nanotubes from first-principles calculations // Computational Materials Science. 2021. Vol. 186. Art. ID: 109999. doi: https://doi.org/10.1016/j.commatsci.2020.109999
Статья поступила в редакцию 16.07.2021 г.; одобрена после рецензирования 26.01.2022 г.;
принята к публикации 04.05.2022 г.
Информация об авторе
Тимкаева Диана Абдулхаковна - аспирант кафедры теоретической физики Ульяновского государственного университета (Россия, 432700, г. Ульяновск, ул. Льва Толстого, 42), [email protected]
References
1. Xiang R., Inoue T., Zheng Y., Kumamoto A., Qian Y., Sato Y. et al. One-dimensional van der Waals heterostructures. Science, 2020, vol. 367, iss. 6477, pp. 537-542. doi: https://doi.org/10.1126/science.aaz2570
2. Sengupta A. On the junction physics of Schottky contact of (10, 10) MX2 (MoS2, WS2) nanotube and (10, 10) carbon nanotube (CNT): an atomistic study. Appl. Phys. A, 2017, vol. 123, iss. 4, art. no. 227. doi: https://doi.org/10.1007/s00339-017-0845-1
3. Jariwala D., Marks T. J., Hersam M. C. Mixed-dimensional van der Waals heterostructures. Nature Mater., 2017, vol. 16, iss. 2, pp. 170-181. doi: https://doi.org/10.1038/nmat4703
4. Sibatov R. T., Sun H. Tempered fractional equations for quantum transport in mesoscopic one-dimensional systems with fractal disorder. Fractal Fract., 2019, vol. 3 (4), art. no. 47. doi: https://doi.org/ 10.33 90/fractalfract3040047
5. Joh D. Y., Kinder J., Herman L. H., Ju S.-Y., Segal M. A., Johnson J. N., Chan G. K.-L., Park J. Singlewalled carbon nanotubes as excitonic optical wires. Nature Nanotech., 2011, vol. 6, iss. 1, pp. 51-56. doi: https://doi.org/10.1038/nnano.2010.248
6. Kitsyuk E. P., Sibatov R. T., Svetukhin V. V. Memory effect and fractional differential dynamics in planar microsupercapacitors based on multiwalled carbon nanotube arrays. Energies, 2020, vol. 13, iss. 1, art. no. 213. doi: https://doi.org/10.3390/en13010213
7. Blackburn J. L., Ferguson A. J., Cho C., Grunlan J. C. Carbon-nanotube-based thermoelectric materials and devices. Adv. Mater., 2018, vol. 30, iss. 11, art. ID: 1704386. doi: https://doi.org/10.1002/adma.201704386
8. Meftakhutdinov R. M., Sibatov R. T., Kochaev A. I. Graphenylene nanoribbons: electronic, optical and thermoelectric properties from first-principles calculations. J. Phys.: Condens. Matter, 2020, vol. 32, iss. 34, art. ID: 345301. doi: https://doi.org/10.1088/1361-648X/ab8a9f
9. Timkaeva D. A., Sibatov R. T. Simulation of quantum transport in doped carbon nanotube diode controlled by transverse electric field. J. Phys.: Conf Ser, 2019, vol. 1410, no. 1, art. ID: 012239. doi: https://doi.org/10.1088/1742-6596/1410/1Z012239
10. Yang Zh., Hong H., Liu F., Liu Y., Su M., Huang H., Liu K. et al. High-performance photoinduced memory with ultrafast charge transfer based on MoS2/SWCNTs network van der Waals heterostructure. Small, 2019, vol. 15, iss. 3, art. ID: 1804661. doi: https://doi.org/10.1002/smll.201804661
11. Csonka G. I., Perdew J. P., Ruzsinszky A., Philipsen P. H. T., Lebegue S., Paier J., Vydrov O. A., Angyan J. G. Assessing the performance of recent density functionals for bulk solids. Phys. Rev. B, 2009, vol. 79, iss. 15, art. ID: 155107. doi: https://doi.org/10.1103/PhysRevB.79.155107
12. Monkhorst H. J., Pack J. D. Special points for Brillouin-zone integrations. Phys. Rev. B, 1976, vol. 13, iss. 12, art. ID: 5188. doi: https://doi.org/10.1103/PhysRevB.13.5188
13. Kochaev A. I., Meftakhutdinov R. M., Sibatov R. T., Timkaeva D. A. Optical and thermoelectric properties of graphenylene and octagraphene nanotubes from first-principles calculations. Computational Materials Science, 2021, vol. 186, art. ID: 109999. doi: https://doi.org/10.1016/j.commatsci.2020.109999
The article was submitted 16.07.2021; approved after reviewing 26.01.2022;
accepted for publication 04.05.2022.
Information about the author
Diana A. Timkaeva - PhD student of the Theoretical Physics Department, Ulyanovsk State University (Russia, 432700, Ulyanovsk, LeoTolstoy st.,42), [email protected]
