非對稱結構對黑磷烯器件電子輸運的影響

朱文睿， 李天然

(南京師范大學 電氣與自動化工程學院, 南京 210046)

1 引 言

自從單層石墨烯發現以來，由于其獨特的二維結構和電學特性受到科研人員的廣泛關注[1]. 近年來，更多的新型二維材料被制備用于功能器件領域，如硅烯[2]，鍺烯[3]，黑磷[4]，硼烯[5]，過渡金屬硫化物[6],氮化硼[7]等. 黒磷中每個磷原子都與其他三個磷原子以sp3雜化形式成鍵，呈現出褶皺結構. 層間通過范德瓦爾斯相互作用結合. 黑磷是直接帶隙半導體，通過層數的變化可以調控帶隙的大小，克服石墨烯零帶隙的缺點. 黑磷具有較高的載流子遷移率，可以達到1000 cm2/Vs. 此外，黑磷在電子輸運、傳熱和光吸收等性質上表現出各向異性[8-10]，從而使其可以應用于光電器件和能源領域.

整流器是電路的一個重要組成部分，分子整流器為電子電路向微小型發展提供了基礎. 自從給體-鍵橋-受體型的有機分子可以制備整流器件[11]的設想提出后，研究人員研究發現非對稱分子結構，正負偏壓下非對稱肖特基勢壘和分子與電極的非對稱耦合等機制能夠導致分子整流效應[12,13]. 近年，基于二維石墨烯的分子整流器件的提出，為二維材料功能化器件的應用提供了思路[14]. 硼和氮摻雜的鋸齒形石墨烯納米帶電極中表現出良好的整流特性[15]. 石墨烯納米帶電極的邊界不對稱官能團修飾實現了較高的整流比[16]. 具有不同寬度的階梯狀鋸齒形石墨烯納米帶器件展現了不同的整流行為[17]. 基于扶手型石墨烯納米帶的非對稱結構誘導了不同的整流行為[18].

這些石墨烯納米帶器件的研究為低維電子器件的設計提供了思路. 黑磷具有良好的電子輸運特性，利用不同寬度的黑磷烯納米帶所構建的非對稱結構器件能否像上述非對稱結構石墨烯異質結器件那樣表現出整流行為，值得進一步研究. 因此，我們設計了基于不同寬度的鋸齒型二維黑磷烯納米器件. 第一性原理計算表明，設計的黑磷烯非對稱結構器件表現出了優于具有非對稱結構石墨烯納米帶器件的整流特性. 通過計算態密度，透射譜和投射本征態等研究了器件結構的非對稱性對電子輸運的影響，并探討了整流效應機制.

2 模型和方法

我們構建了鋸齒型黑磷烯納米帶(ZBPNR)器件，如圖1所示. 平行鋸齒型鏈的數量表示納米帶的寬度. 器件M1由10-ZBPNR和8-ZBPNR組成，器件M2由10-ZBPNR和6-ZBPNR組成，器件M3由10-ZBPNR和4-ZBPNR組成. 器件分成左電極，中心散射區和右電極三部分. 中心散射區分子包含了兩種不同寬度的黑磷烯納米帶. 我們在Atomistix ToolKit(ATK)[19]中進行基于密度泛函理論和非平衡態格林函數方法進行計算. 在計算中，我們利用Perdew-Burke-Ernzerhof 廣義梯度近似(GGA-PPE)[20]用來描述電子交換相關勢. 計算中電極的溫度設置為300 K，所有原子都設置為DZP(double ζ+ polarization)雙基組極化，自洽計算是在迭代控制參數為0.0001. 布里淵區的k格點為2×2×100，其中截斷半徑設置為150 Ry，其目的是為了平衡計算的效率與準確性.

圖1 構建的器件平面圖

器件的電流可以由Landauer-Büttiker公式計算[21]：

(1)

式中的μl和μr分別為左右電極的化學勢. 電子透射系數由下面公式由得到：

T(E,V)=Tr[ΓL(E)GR(E)ΓR(E)GA(E)]

(2)

其中GR(GA)是延遲(超前)格林函數. ΓL和ΓR分別對應與左、右電極相關的接觸線寬函數.

3 結果和討論

我們計算了設計的器件所用的不同寬度鋸齒型黑磷烯納米器件的態密度，如圖2 所示. 從圖上可以清晰地發現，不同非對稱結構器件展示了不同的態密度. 費米能附近存在的態密度峰隨著器件右部分納米帶寬度的減小而降低；但是費米能處的態密度值出現相反的現象. 因此，非對稱結構導致了器件不同的電子分布.

圖2 零偏壓下三種結構器件的態密度

為了進一步研究非對稱結構對器件電子輸運的影響，我們計算了三種器件的電流-電壓(I-V)特性，如圖3(a)所示. I-V曲線清晰地展現了電流的非對稱性，不同寬度的納米帶異質結構導致了不同的電流特性. 我們認為隨著偏壓的增大，變化的電極和器件中心區域的耦合強度導致了器件透射本征態的改變，從而引起電流的變化[22].

我們計算了器件的電流整流比(R(V)=I(-V)/I(V))來描述非對稱結構導致的電流非對稱性，即整流行為，如圖3(b)所示. 在小偏壓范圍內，器件M2整流比最大，而M3最小. M1，M2和M3最大整流比達到3.76×105(0.4 V)，1.01×106(0.3 V) 和1.94×104(0.4 V). 這說明通過調控黑磷烯納米帶器件的非對稱度可作為未來提高分子整流器性能的方案.

圖3 器件I-V曲線(a)和整流比(b)

為了理解這三種器件的I-V特性和出現的整流效應，我們在圖4中展示了三種器件在不同偏壓下的透射譜，其中費米能級設置為零，紅色虛線表示偏壓窗口. 我們可以從圖中觀察到，隨著器件右部分納米帶寬度的減小，高能量的透射峰都在向遠離費米能級方向移動. 對于三種結構的器件，正偏壓下，偏壓窗口內沒有透射峰出現，因此，電流相對較小. 而負偏下，一些小透射峰出現在偏壓窗口內，導致了電流的非對稱性，出現了整流效應.

圖4 不同偏壓下器件的透射譜

為了進一步討論非對稱結構導致的不同整流性能，我們在圖5中畫出了三種器件在-0.8 V和0.8 V下的透射譜. 器件電流依賴于偏壓窗口內透射譜的積分面積. 從圖上可以發現，負偏壓下，偏壓窗口內出現透射譜，而正偏壓下三種器件的沒有透射譜. 因此，-0.8 V時的電流大于0.8 V時的電流，導致了整流效應. 此外，在偏壓窗口內器件M2的積分面積最大，M3最小，這一結果與電流結果一致.

圖5 偏壓為-0.8 V和0.8 V下三種器件的透射譜

圖6展示了偏壓為-0.8 V下，M1，M2和M3三種器件在能量為-0.38 eV處的透射本征態. 由于從圖5中可以發現偏壓窗口內沒有透射譜，器件在該能量范圍內沒有出現本征態的分布，因此，我們沒有給出正偏壓下的透射本征態. 從圖上可以看到，器件M2的本征態幾乎分布于整個器件，器件M1右部分的下邊界處出現本征態，而器件M3的本征態局域在器件的左部分. 因此，器件M2的電流最大，M3最小. 我們認為，本征態的變化起源于器件中心區域-電極耦合的變化[22]. 負偏壓下，不同的結構具有不同的分子-電極耦合強度，導致不同的本征態分布，從而具有不同的電流. 此外，負偏壓下，器件中心區域和電極之間的耦合強度大于正偏壓下，導致具有較多的本征態分布，從而誘發整流效應.

圖6 偏壓為-0.8 V下三種器件的透射本征態

4 結 論

構建了鋸齒型黑磷烯納米帶器件，器件左右部分納米帶具有不同的寬度. 利用密度泛函理論和非平衡態格林函數方法研究了構建的黑磷烯器件的電子輸運性質. 從計算結果可以看到設計的器件I-V曲線展現了非對稱性，即整流效應，最大整流比達到1.01×106. 納米帶器件的非對稱性結構影響了整流行為. 我們認為正負偏壓下器件中心區域-電極間的耦合強度的變化導致了器件本征態分布的變化，從而引起電流的變化，誘發了整流效應. 結果為基于黑磷烯二維材料整流器件的設計提供了理論指導.