氫空位簇對(duì)鍺烷電子結(jié)構(gòu)的調(diào)控以及鍺烷中分子摻雜的影響

01引言?

2013年，Bianco等通過CaGe2拓?fù)浠瘜W(xué)剝離的方法，首次在實(shí)驗(yàn)上合成了具有較高熱穩(wěn)定性和抗氧化性的單層鍺烷。鍺烷因其合適的帶隙、較高的電子遷移速率、較好的環(huán)境穩(wěn)定性、較小的電噪聲和超薄的幾何結(jié)構(gòu)，有望取代現(xiàn)有硅基或鍺基材料成為下一代半導(dǎo)體器件的理想載體。目前，成熟的脫氫技術(shù)已可實(shí)現(xiàn)較為精確可控的氫缺陷調(diào)制，這有利于脫去鍺烷特定位置和特定數(shù)量的氫原子。尤其值得關(guān)注的是，脫氫還往往會(huì)誘導(dǎo)體系產(chǎn)生磁性，而具有可調(diào)控的磁性是量子信息器件應(yīng)用的前提。因此，采用脫氫的方式調(diào)控鍺烷的電子性質(zhì)仍具有較大的優(yōu)勢(shì)。盡管如此，鍺烷基半導(dǎo)體器件在實(shí)際應(yīng)用中仍面臨許多挑戰(zhàn)，其中一個(gè)重大挑戰(zhàn)便是如何實(shí)現(xiàn)有效且安全可控的載流子摻雜。而傳統(tǒng)的半導(dǎo)體摻雜很容易破壞僅有原子層級(jí)別厚度的二維半導(dǎo)體材料。相比之下，在不損壞襯底材料的前提下，表面非共價(jià)吸附分子是一種安全有效的載流子摻雜方式?；谝陨系目紤]，本文系統(tǒng)研究了氫空位簇對(duì)鍺烷電子結(jié)構(gòu)的調(diào)控以及鍺烷中分子摻雜的影響。

02成果簡(jiǎn)介

本文基于密度泛函理論和非平衡格林函數(shù)的第一性原理方法，使用鴻之微的DS-PAW和Nanodcal軟件研究了不同構(gòu)型和濃度的氫空位簇對(duì)鍺烷電子結(jié)構(gòu)及鍺烷中Tetrathiafulvalene (TTF)分子摻雜性能的影響。計(jì)算結(jié)果表明，不同構(gòu)型氫空位簇的引入可誘導(dǎo)GermananeDehydrogenated-xH(GD-xH)體系產(chǎn)生不同性質(zhì)的磁性，且磁矩大小亦與Lieb定理的預(yù)測(cè)結(jié)果相符，并能在GD-xH/TTF (x=1,4, 6)體系自旋向下的能帶結(jié)構(gòu)中實(shí)現(xiàn)由缺陷態(tài)引起的類p型半導(dǎo)體摻雜效應(yīng)，其電子激發(fā)所需的能量則會(huì)隨著體系脫氫濃度的升高而不斷降低。吸附TTF分子后，G/TTF和GD-xH/TTF(x=1, 2, 6)體系表現(xiàn)出分子摻雜效應(yīng)，且GD-xH/TTF (x=1, 6)體系因分子軌道與缺陷態(tài)的雜化作用，可在自旋向上與自旋向下的能帶結(jié)構(gòu)中形成不同的摻雜類型。進(jìn)一步的量子輸運(yùn)計(jì)算還表明，Armchair和Zigzag類型的鍺烷基器件表現(xiàn)為明顯的各向同性，且TTF分子吸附所導(dǎo)致的載流子摻雜可大幅提高其I-V特性。

03圖文導(dǎo)讀

圖1鍺烷中典型的四種氫空位簇構(gòu)型俯視圖：(a) GD-1H；(b) GD-2H；(c) GD-4H；(d) GD-6H，藍(lán)色、綠色小球分別代表Ge和H原子

圖2 (a)-(e)鍺烷和不同氫空位簇鍺烷GD-xH(x=1, 2, 4, 6)體系對(duì)應(yīng)的能帶結(jié)構(gòu); (f) Eg, Ep和體系磁矩隨脫氫濃度的變化

圖3G/TTF和GD-xH/TTF (x=1, 2, 4, 6)最佳吸附構(gòu)型的俯視圖和側(cè)視圖：(a) H2-site;(b) V2-side, (c) B2-side, (d) H2-side, (e) V2-side.藍(lán)色、綠色、紅色和棕色小球分別代表Ge、H、S和C原子

圖4 (a) G/TTF和(b)-(e) GD-xH/TTF (x=1, 2, 4, 6)體系對(duì)應(yīng)能帶結(jié)構(gòu)，其中綠色和粉色平帶分別代表由TTF分子貢獻(xiàn)和脫氫處的Ge原子貢獻(xiàn)，橙色平帶代表由TTF分子和脫氫處Ge原子共同貢獻(xiàn)；(f) Eg, En, Ep和體系凈磁矩隨脫氫濃度的變化

圖5 G/TTF體系和GD-xH/TTF (x=1, 2, 4, 6)體系的HOMO和LUMO.等值面設(shè)為0.004e/?3

圖6 (a)-(e) G/TTF和GD-xH/TTF (x=1, 2, 4, 6)體系的差分電荷密度俯視和側(cè)視圖.青色和黃色分別代表失電荷和得電荷.等值面設(shè)為(a) 0.0002 e/?3, (b)-(e) 0.001 e/?3

圖7 (a)-(b)基于Armchair和Zigzag構(gòu)型的鍺烷基納米器件模

圖8 (a)-(b) Armchair和Zigzag類型的鍺烷器件模型的電子透射譜和態(tài)密度圖.藍(lán)色實(shí)線表示透射譜曲線，綠色虛線表示態(tài)密度

圖9 (a)-(d)本征鍺烷、G/TTF和GD-xH/TTF (x=1, 2)基器件的I-V特性曲線

04 小結(jié)

本文使用鴻之微的DS-PAW和Nanodcal軟件，研究了不同構(gòu)型和濃度的氫空位簇對(duì)鍺烷的電子結(jié)構(gòu)及其TTF分子摻雜效應(yīng)的影響，并基于非平衡格林函數(shù)計(jì)算了對(duì)應(yīng)的鍺烷基納米器件的電子輸運(yùn)特性。研究結(jié)果表明，引入氫空位簇可以有效地調(diào)控體系的磁性和能帶結(jié)構(gòu)，且磁矩大小符合Lieb定理預(yù)測(cè)分析，并可在具有磁性的GD-xH(x=1, 4, 6)體系自旋向下的能帶結(jié)構(gòu)中形成由缺陷態(tài)引入的類p型摻雜效應(yīng)。吸附TTF分子后，不同于G/TTF和GD-2H/TTF體系中形成的n型分子摻雜效應(yīng)，GD-xH/TTF(x=1, 6)體系在分子軌道與缺陷態(tài)的共同作用下，可在自旋向上與自旋向下的能帶結(jié)構(gòu)中分別形成n型與p型兩種不同的摻雜效應(yīng)。而GD-4H/TTF體系中的類n型或類p型摻雜效應(yīng)仍由氫空位簇的缺陷態(tài)引入。進(jìn)一步的量子輸運(yùn)計(jì)算結(jié)果表明，Armchair和Zigzag構(gòu)型的器件輸運(yùn)特性都表現(xiàn)出了明顯的各向同性，而吸附TTF分子能極大地改善器件的I-V特性曲線。

審核編輯：劉清