石墨烯/C3N 范德瓦耳斯異質結的可調電子特性和界面接觸*

黃敏 李占海 程芳

(長沙理工大學物理與電子科學學院,長沙 410114)

基于石墨烯的范德瓦耳斯異質結既可以調節石墨烯的電子特性,還可以保留原始單層材料的優越特性.利用第一性原理,本文系統地研究了石墨烯/C3N 范德瓦耳斯異質結的結構、電接觸類型及光學性質.研究表明,平衡態下異質結中存在僅為0.039 eV 的準p 型歐姆接觸.外加電場能調控異質結界面的接觸類型,實現p 型肖特基接觸到歐姆接觸的轉變.垂直應變可以同時調控石墨烯和C3N 的投影能帶,甚至為石墨烯打開了一個不可忽視的帶隙 (360 meV).外加電場和施加垂直應變這兩種物理方法都能對異質結中石墨烯層的載流子摻雜類型和濃度進行有效調制.石墨烯層的載流子摻雜濃度的增大通過電場的調制更顯著.與單層石墨烯和C3N 相比,兩者構成的范德瓦耳斯異質結的光學響應范圍和光吸收率均得到了提高.光譜中的主吸收峰高達106 cm—1.這些結果不僅為基于石墨烯/C3N 范德瓦耳斯異質結器件的設計提供了有價值的理論指導,還為異質結在光電納米器件和場效應晶體管器件應用提供了新的思路和設計.

1 引言

石墨烯(graphene,Gr)的成功制備[1]及其優異的物理性能[2-4]引發了對二維(two dimensional,2D)材料的廣泛研究.然而Gr 不具有帶隙,這使其成為制造納米電子器件的最大障礙.2D 半導體材料C3N 于2016 年被成功合成,具有高電導率(0.72 S/cm),是同類材料(6.28×10—11S/cm)的1010倍[5],其帶隙可以通過改變材料尺寸進行調控.單層C3N 制成的背柵場效應晶體管(field effect transistors,FET)具有5.5×1010的高開關電流比[6].打開Gr 帶隙的方法有形成Gr 納米帶[7]和對Gr表面進行化學修飾,例如氫化[8]、化學摻雜替代[9,10]和層效應[11,12]等方法.Gr 與2D 材料堆疊而成的范德瓦耳斯異質結(van der Waals Heterojunctions,vdWH)不僅可以打開Gr 帶隙,同時保留Gr及與其堆疊材料的優異性能,例如高遷移率和高光吸收率[13-15].除了使用優良材料制造通道,解決二維材料界面接觸問題也可以提升器件性能[16].費米釘扎(Fermi level pinning,FLP)效應違反肖特基-莫特規則[17],該效應會阻礙肖特基勢壘高度(Schottky barrier height,SBH)[18,19]的調制.而大SBH 會阻礙電子輸運,從而顯著影響2D 半導體FET 性能.形成FLP 效應的主要原因是,金屬缺陷/失序產生的缺陷能級[20-21]可以接受大量的電子或空穴,導致費米能級(EF)不能上升或下降,形成EF釘扎不動的現象.此外,異質結界面處較大的應變和懸空化學鍵改變界面特征、界面電荷重新分布形成的界面偶極子[22]也會形成FLP 效應.由2D 材料堆疊構成的vdWH 依靠vdW 相互作用可以顯著避免化學無序,并大大減少形成的界面偶極子,來抑制FLP 效應,進而可以通過外部電場和垂直應變對SBH 進行有效調控.可調制的SBH 有利于提高納米電子器件性能,目前可用于二極管[23]、FET 器件[24]和太陽能電池[25].實驗研究表明,基于Gr 的vdWH 可以使用化學氣相沉積(chemical vapor deposition,CVD)等方法制造[13]和機械剝離[26].由Gr 和C3N 組成的vdWH的電接觸特性[27]、應變調制[28]已有研究,本文將主要研究由Gr 單層和C3N 單層構成的vdWH 在外加電場和垂直應變調制作用下的界面電接觸類型、異質結中Gr 層的載流子摻雜類型和濃度以及異質結的光學特性.

基于第一性原理計算,Gr/C3N vdWH 形成p 型肖特基接觸,SBH 僅為0.039 eV,也可稱為準p 型歐姆接觸.外加電場和垂直應變可以有效地調節Gr/C3N vdWH 的SBH.界面處的電接觸可以通過外加電場從p 型肖特基接觸調制為n 型肖特基接觸或歐姆接觸.垂直應變可以更有效地同時調制異質結中Gr 層和C3N 層的帶隙寬度,這與其他半導體異質結不同.在壓縮狀態下,Gr/C3N vdWH中Gr 的狄拉克錐處有不可忽略的360 meV 帶隙.此外,異質結中的Gr 層的載流子摻雜類型和濃度都可以通過外加電場和垂直應變作用進行有效調節,可以實現1013cm—2的高摻雜濃度.Gr/C3N vdWH結合了原始Gr 單層和C3N 單層的優點,增強了對可見光、紫外光和紅外光區域的光吸收率.這些發現對設計基于Gr 和C3N 異質結的高性能可控肖特基納米器件、光催化材料和太陽能光電器件等具有一定理論意義.

本文結構如下,第2 節提供計算細節,第3 節介紹了異質結的結構、電接觸類型調制和光學特性的主要結果,第4 節給出結論.

2 計算方法

本文工作均在Quantum Atomistix Toolkit軟件包中實現[29].通過基于密度泛函理論(density functional theory,DFT)的第一性原理方法進行幾何優化,結構穩定性評估以及電子特性和光學特性的計算.其中價電子波函數展開使用原子軌道的線性組合(linear combination of atomic orbitals,LCAO),交換關聯勢由廣義梯度近似(generalized gradient approximation,GGA)[30]中的PBE (Perdew-Burke-Ernzerhof)廣義函數來描述.長程vdW相互作用由Grimme DFT-D2 色散校正方法來描述.實空間密度網格截斷能設置為150 Rydberg(1 Rydberg=13.606 eV).幾何優化收斂標準中能量與原子殘余力分別為10—5eV 和10—2eV/?,使用MP 法對布里淵區進行13×13×1 的K點采樣,用于所有結構優化、電子特性和光學特性計算.Z方向采用40 ?的真空層來消除相鄰層之間的相互作用.為簡單起見,在電子結構計算中將EF都設為零.

3 計算結果與討論

3.1 Gr/C3N vdWH 的結構模型

單層Gr 的晶格常數為2.46 ?,而單層C3N 的晶格常數為4.81 ?,這與文獻[31-34]研究結果一致.C3N 的晶格常數非常接近于Gr 晶格常數的2 倍,這有利于后續構建應變影響極小的超級單胞.本文采用1×1 的C3N (4.81 ?)和2×2 的Gr (4.92 ?)單層來構建異質結超級單胞,此時晶格失配率為2.2%,與Gr/GeTe 異質結 (1.9%)[35]和Gr/PbI2異質結 (2.1%)[36]的晶格失配率相當.

考慮到Gr/C3N vdWH 的不同堆疊模型可能具有不同的特性[35],本文先假設了3 種最有可能的堆疊模型,即Top 模型、Bridge 模型和Hole 模型.Top 模型是AA 堆疊,Bridge 模型和Hole 模型是兩種晶格錯位距離不同的AB 堆疊.計算3 種模型的異質結總能量以此定量分析3 種模式的穩定性,結果顯示Top 模型的總能量是最有利的堆疊模型.因此,接下來的異質結的討論和分析都是以Top 模型為基礎進行的.圖1(a),(b)顯示了Top模型的頂視圖和側視圖.

圖1 (a) Top 堆疊模式的頂視圖,藍色為N 原子,橙色為C 原子;(b) Top 堆疊模式的側視圖,d0 是平衡層間距(3.15 ?);(c) 層間結合能作為層間距d 的函數,黃色(紅色)背景對應于垂直壓縮(拉伸)應變;(d) Gr/C3N vdWH 平衡態下的聲子譜;(e) 溫度為300 K 的分子動力學模擬,Gr/ C3N vdWH 總能量在時長為10 ps 內的變化,插圖為模擬結束時的結構Fig.1.(a) Top view of the Top mode with N atoms in blue,C atoms in orange;(b) side view of the top mode configuration,d0 is the equilibrium interlayer spacing (3.15 ?);(c) interlayer binding energy as a function of the interlayer distance d,the yellow (red)background corresponds to the applied vertical compressive (stretch) strain;(d) phonon spectrum of Gr/C3N vdWH in equilibrium;(e) molecular dynamics simulation at a temperature of 300 K,the total energy of Gr/C3N vdWH varies over a time duration of 10 ps.The inset shows the structure at the end of the simulation.

層間結合能Eb的計算方法為

其中A是界面面積,EGraphene/C3N是異質結構的總能量,EGraphene和EC3N分別是單層Gr 和單層C3N 的能量.優化后的異質結的平衡層間距為3.15 ?,與類似異質結如Gr/SnS(3.32 ?)[37]和Gr/GeC(3.41 ?)[38]相當.相應的層間結合能Eb是—75.96 meV/?2,這接近于Gr/MoSe2異質結(—24.90 meV/?2)[39]和Gr/GeP(—31.42 meV/?2)[40]的情況.負的結合能表明Gr/C3N vdWH 的形成是一個放熱過程.

圖1(c)所示為層間結合能Eb隨層間距的變化.當層間距從2.50 ?增大到3.15 ?時,層間結合能迅速減小.層間距從3.15 ?增大到3.80 ?,層間結合能開始緩慢增大.因此層間距為3.15 ?的結構是最穩定的結構,這與優化后的平衡層間距結果一致.

計算異質結的聲子譜結構和分子動力學模擬可以進一步分析Gr/C3N vdWH 平衡態熱動力學穩定性.圖1(d)所示為Gr/C3N vdWH 平衡態聲子譜結構,在整個布里淵區內,異質結聲子譜沒有虛頻,意味著異質結具有良好的動力學穩定性.圖1(e)所示為300 K 溫度、10 ps 內異質結的總能量變化.計算中使用了Nosé-Hoover 方法,有3 個并發的恒溫器控溫.圖1(e)插圖給出了10 ps 后Gr/C3N vdWH 晶體結構的頂視圖和側視圖.整個模擬過程中,能量波動較小,且異質結在10 ps 后二維周期性結構沒有被破壞,所有原子都只在平衡位置附近振動,沒有出現原子鍵斷裂的情況,可以說明Gr/C3N vdWH 具有良好的熱穩定性.

負的層間結合能、微小的錯配率(2.2%)、Gr和C3N 具有相同的六方晶格幾何結構以及良好的熱動力學穩定性,都表明Gr/C3N vdWH 是一個穩定的結構.此外,石墨烯基異質結[41-44]、類C3N 的碳氮化合物,例如C3N4,C3N5等[45-47]構成的異質結都已被成功制備,為Gr/C3N vdWH 實際制造提供了豐富經驗.因此Gr/C3N vdWH 在實驗和應用中被制造出來的可能性非常大.

3.2 Gr/C3N vdWH 的電子特性

金屬和半導體接觸時,在界面處會出現幾種可能的電接觸,主要是肖特基接觸和歐姆接觸.這兩種類型的電接觸主要取決于半導體能帶邊緣相對于EF的位置.肖特基勢壘高度(SBH)可以根據以下公式計算:

其中ECBM為半導體的導帶底(conduction band minimum,CBM)能級,EVBM為價帶頂(valence band maximum,VBM)能級,Φn和Φp分別為n 型SBH 和p 型SBH.為了分析Gr 和C3N 之間的電接觸特性,圖2 所示為Gr/C3N vdWH 平衡態(3.15 ?)下的投影能帶、沿Z方向的平面平均電荷密度差和靜電勢.

圖2 (a) Gr/C3N vdWH 平衡態下的投影能帶,黑色部分是Gr 的能帶,紅色部分是C3N 的能帶;(b) 平面平均電荷密度差,橙色部分表示電子積累,藍色部分表示電子耗盡;(c) Gr/C3N vdWH 在沿Z 方向的平衡層間距的靜電勢.黑色部分是Gr,紅色部分是C3NFig.2.(a) Projected energy band of Gr/C3N vdWH with equilibrium configuration.The black part corresponds to the energy band of Gr and the red part corresponds to the energy band of C3N;(b) the plane-average deformation charge density,the orange part indicates electron accumulation,the blue part indicates electron depletion;(c) electrostatic potential of Gr/C3N vdWH at the equilibrium interlayer spacing along the Z-direction,the black part corresponds to Gr and the red part corresponds to C3N.

圖2(a)所示為平衡態的投影能帶,其中黑線為Gr 的能帶,紅線為C3N 的能帶,可以清楚地看到,Gr/C3N vdWH 保留了單層Gr 和單層C3N 的電子特性,這與文獻[48]的研究一致.特別是在Gr/C3N vdWH 中,Gr 的K點有一個較大的帶隙121 meV,與類似異質結相比要大,如Gr/GeTe(2 meV)[35],Gr/MoSe2(39 meV)[39],Gr/Janus 2HVSeX(X=S,Te) (50 meV)[49],Gr/bilayer-GaSe(10.4 meV)[50].與VBM 的位置相比,CBM 更接近EF,這意味著在Gr/C3N vdWH 界面上形成了一個p 型肖特基接觸.p 型SBH 為0.039 eV,相對小于Gr/MTe (M: Al,B) (0.72 eV,0.57 eV)[33],Gr/GeTe(0.68 eV)[35]和Gr/PbI2(0.89 eV)[36],如此小的SBH 也可以稱為準p 型歐姆接觸.因此可以預測小SBH只需要非常小外加電場或垂直應變便可以實現異質結電接觸類型的轉變.

平面平均電荷密度差可用于分析vdWH 中的層間相互作用,具體可以被定義為

其中ρGraphene/C3N(x,y,z) ,ρGraphene(x,y,z) 和ρC3N(x,y,z)分別為Gr/C3N vdWH、單層Gr 和單層C3N的電荷密度.圖2(b)所示為vdWH 平衡態下沿Z方向的平面平均電荷密度差.橙色部分表示電子積累,藍色部分表示電子耗盡.當Gr/C3N vdWH 形成時,Gr 功函數(4.23 eV)和C3N 功函數(2.94 eV)[51]之間的大差異預計會引起異質結兩層之間的電荷轉移.從圖2(b)可以看出,電子在Gr 中的積累,在C3N 中的耗盡,形成內建電場.內建電場反過來阻礙了電荷繼續轉移,兩種運動最終將達到平衡,電子將在相反的一側積累/消盡.內建電場極大地阻礙了光生電子-空穴對的復合,或促進了載流子的有效分離,從而可以在很大程度上增加載流子的數量并延長其壽命[39],這一點在光催化領域是有益的,更多的載流子參與光催化,可以提升光催化率.

兩個異質結層間的靜電勢差可能在一定程度上影響載流子動力學和電荷注入[52].圖2(c)所示為Gr/C3N vdWH 的平衡態沿Z方向的靜電勢的變化,黑色部分對應于單層Gr,紅色部分對應于單層C3N,兩單層之間有2 eV 的電位差,也解釋了層間的電荷轉移情況.

3.3 界面接觸的調控

外加電場可以影響電荷轉移和內建電場,因此外加電場被證實可以調整vdWH 電子特性[39].異質結制備的FET 等器件是在一定外加電場下運作,無法避免會受到外加電場的影響[53],因此有必要研究在不同強度電場下vdWH 電子特性.本文在異質結界面外加垂直電場,由C3N 指向Gr 的沿Z方向為正方向,電場所加方向與普遍慣例相同[54].在利用外部電場來調制異質結電接觸類型,希望實現肖特基接觸和歐姆接觸的相互轉換,因為半導體器件一般需要利用金屬電極輸入或輸出電流,這就要求在金屬和半導體之間形成良好的歐姆接觸.在超高頻和大功率器件中,歐姆接觸是設計和制造中的關鍵問題之一.

圖3(a)顯示了Gr/C3N vdWH 中單層Gr 和單層C3N 的SBH 和帶隙寬度隨外加電場強度的變化曲線.在沒有外部電場時,Φn為0.46 eV,Φp為0.039 eV.Φn和Φp之和大約等于半導體的帶隙,即Eg≈Φn+Φp.隨著正電場強度的增加,Φn線性下降,但Φp線性增加.在臨界正電場為0.56 V/?時,Φn=Φp(～0.25 eV).當施加的正電場小于0.56 V/?時,異質結保持p 型肖特基接觸不變.但當施加的正電場超過0.56 V/?時,p 型肖特基接觸就會轉變為n 型肖特基接觸.相反,施加超過—0.1 V/?的負電場,Φp變為負值,因此成異質結界面轉變為歐姆接觸,達到了肖特基接觸和歐姆接觸的相互轉換的目的.外加電場實現電接觸類型轉變的現象在很多類似的異質結也有體現,例如HfN2/Gr 異質結[52]和Gr/WSeTe 異質結[54]等.

圖3 (a) Gr/C3N vdWH 中單層Gr 和單層C3N 的SBH和帶隙寬度隨外加電場強度變化曲線;(b) 不同強度正電場下異質結的能帶結構;(c) 不同強度負電場下異質結的能帶結構,綠色(紫色)范圍與 Φn (Φp)相對應Fig.3.(a) Trend of SBH and band gap of Gr and C3N in the Gr/C3N vdWH with the electric field;(b) the band structure of heterojunction at different positive electric fields;(c) the band structure of heterojunction at different negative electric fields,the green (purple) range corresponds to Φn (Φp).

為了更詳細分析電場對異質結電子特性的影響,本文進一步繪制了異質結在不同強度的負電場和正電場下的投影能帶結構,如圖3(b),(c)所示.總的來說,電場強度從—0.6 V/?到0.8 V/?,Gr 的狄拉克錐不斷向上移動,而C3N 的CBM/VBM 不斷向下移動.這背后的物理機制是,外加電場引起的空間靜電勢梯度由外加電場的大小和方向決定.在負電場—0.1 V/?時,Φp非常小 (0.01 eV),進一步增加負電場,C3N 部分的VBM 向上移動并越過EF,異質結實現了從p 型肖特基接觸到歐姆接觸的轉變,這與圖3(a)一致.隨著正電場強度增大,C3N 的CBM(VBM)向EF靠攏(遠離),即Φn(Φp)逐漸減小(增大).當正電場為0.56 V/?時,Φn正好等于Φp,進一步增大正電場,Φn變得比Φp小,這表明異質結已經從p 型肖特基接觸轉變為n 型肖特基接觸.從圖3(b)和圖3(c)中綠色和紫色的區域變化可以清楚地看到Φn和Φp的變化.除了上述原因外,由外加電場引起的材料的靜電極化會改變材料的晶格電勢分布,界面偶極子和載流子外電場效應引起的漂移可以在異質結界面建立新的動態平衡,這些都影響著異質結能帶結構和電接觸特性.總之,外加電場可以靈活地調制SBH 和不同電接觸類型之間的轉換.負電場有效地降低了SBH,從而使其易于電子傳輸,而正電場則增大了SBH,從而抑制了電子傳輸,這種SBH 可調特性在肖特基器件中有重要的應用.

除了外部電場調制外,垂直應變也可以有效地調制SBH,以提高電子器件的性能.應用于異質結的垂直應變可以通過各種方式進行,如粒子束輻照[35]、靜水壓[55,56]、機械應變[57]、基于外部溫度場的熱退火[58],以及插入電介質層[59].本文通過施加垂直壓縮和拉伸應變來調控Gr/C3N vdWH 的電子特性,如圖4 所示.圖4(a)所示為Gr/C3N vdWH中單層Gr 和單層C3N 的SBH 和帶隙寬度隨垂直應變強度的變化.異質結從壓縮狀態到平衡狀態(即層間距從2.50 ?增至3.15 ?),Φn和Φp都在下降,Φp下降更快.而從平衡狀態到拉伸狀態(即層間距從3.15增至3.8),Φn和Φp都緩慢下降.這意味著C3N 的帶隙Eg從壓縮到平衡迅速下降(2.50—3.15),但從平衡到拉伸 (3.15—3.8)保持不變.Gr 的帶隙也隨著層間距的增大而迅速下降,然后基本保持不變.出現這些結果的原因可能是在壓縮應變下,層間的軌道雜化增強,電荷轉移增強,而在逐漸增強的拉伸應變下,兩層單層之間的相互作用越來越弱.與圖3(a)和圖4(a)相比,不難看出,在Gr/C3N vdWH 中,垂直應變對Gr 和C3N 的帶隙的調控比外部電場的調控更有效.

圖4 (a) Gr/C3N vdWH 中單層Gr 和單層C3N 的SBH和帶隙隨層間距(d)的變化曲線;(b) 異質結在壓縮應變下的能帶結構;(c) 拉伸應變下異質結的能帶結構,淺綠色范圍對應于Gr 被打開的帶隙寬度Fig.4.(a) Trend of SBH and band gap of Gr and C3N in the Gr/C3N vdWH with the interlayer distance(d);(b) the band structure of the heterojunction under compressive strains;(c) the band structure of the heterojunction under tensile strain,the light green range corresponds to the band gap width of Gr being opened.

圖4(b)和圖4(c)分別顯示了壓縮和拉伸應變下Gr/C3N vdWH 的能帶結構.在層間距為2.8 ?的壓縮應變情況下,存在一個不可忽視的帶隙360 meV,這比Gr/C3N vdWH 平衡狀態下的帶隙(121 meV)大得多.當層間距小于2.8 ?時,由于異質結存在能帶雜化,打開的帶隙不被考慮.隨著壓縮應變的減小,層間距進一步增大,打開的帶隙變得越來越小,直到恢復Gr/C3N vdWH 中Gr 的原狄拉克錐.這意味著應變可以打開并調制Gr/C3N vdWH 中Gr 的狄拉克點的帶隙大小.與壓縮應變相比,拉伸應變對Gr/C3N vdWH 中Gr 帶隙的影響要小得多,這是由于Gr 和C3N 之間的相互作用減小所致.與平衡態下C3N 的CBM 和VBM 相比,拉伸應變下C3N 的CBM 減少,VBM 略有增加,如圖4(c)所示.垂直應變還可以調節Gr/C3N vdWH中的半導體帶隙寬度,這與其他半導體異質結構(如Gr/PbI2[36],Gr/MoSe2[39]和Gr/WSeTe[54])明顯不同,在這些異質結中,垂直應變調制未能調制半導體帶隙寬度.

3.4 Gr 層載流子摻雜類型和濃度的調控

外加電場和垂直應變不僅影響異質結能帶邊緣的位置,而且還導致Gr 狄拉克錐相對于EF的移動.用 ΔED=ED-EF來描述Gr 狄拉克錐相對于EF的移動.這里 ΔED是狄拉克錐的能量位置.ΔED>0,Gr 在異質結中顯示p 型(空穴)摻雜;而ΔED<0,異質結中Gr 層顯示n 型(電子)摻雜.載流子摻雜濃度由以下公式計算[60]:

其中 ? 是約化普朗克常數,vF是費米速度(106m/s).

圖5(a)和圖5(b)所示為Gr/C3N vdWH 中ΔED和摻雜載流子濃度Nh/e隨層間距的變化.層間距小于或等于2.7 ?時,保持p 型摻雜,當層間距增大超過2.7 ?時,狄拉克點逐漸從EF以下移動到EF以上,摻雜類型轉換為n 型摻雜.當層間距從2.5 ?增大到2.7 ?時,p 型摻雜濃度迅速下降,而在層間距離2.7 ?時p 型摻雜濃度變為零.隨著層間距進一步增大,n 型摻雜濃度迅速增大,在層間距為3.7 ?時高達1013cm—2.外加電場同樣也可以改變Gr/C3N vdWH 中載流子的摻雜類型和摻雜濃度,如圖5(c)和圖5(d)所示.在+0.5—+0.6 V/?的電場范圍內,ΔED保持為零,這意味著Gr 的狄拉克點正好位于Gr/C3N vdWH 的EF.施加大于+0.6 V/?的正電場,狄拉克點相對于EF線性上移,摻雜類型為p 型摻雜.相反,施加小于+0.5 V/?的正電場或負電場,狄拉克點相對于EF線性下移,意味著n 型摻雜.負電場為—0.6 V/?,電子摻雜濃度達到2.5×1013cm—2.當施加的電場從—0.6 V/?變化到+0.5 V/?時,電子摻雜濃度迅速下降到零.進一步增大正電場,空穴摻雜濃度線性增大.

圖5 (a) 不同層間距下的 Δ ED ;(b) 摻雜載流子濃度 Nh/e 作為層間距的變化曲線;(c) 不同強度電場下的 Δ ED ;(d) 摻雜載流子濃度 Nh/e 隨著外加電場的變化Fig.5.(a) Δ ED at different interlayer distances;(b) doped carrier concentration Nh/e as a function of interlayer distance;(c)ΔED at different electric fields;(d) doped carrier concentration Nh/e as a function of applied electric field.

與垂直應變調制相比,外加電場對載流子濃度的調制更強,這一結論與Gr/MoXY[61]中的結論相似.垂直應變和外部電場的調制都可以達到1013cm—2的高摻雜濃度,與其他Gr 基異質結相比高,如Gr/InP3(1011cm—2)[62].更高的載流子濃度可以使光電納米器件的性能更好,可以用來設計高電子遷移率的晶體管.

3.5 Gr/C3N vdWH 的光學特性

圖6 顯示了單層Gr、單層C3N 和Gr/C3N vdWH在優化平衡態(3.15 ?)下的光吸收率隨能量的變化.該異質結結合了原始Gr 單層和C3N 單層的優點.整個光吸收范圍加寬,可見光、紫外光和紅外光區域的光吸收率都得到了一定程度的增強.可見光和紫外光吸收率高達105cm—1,光譜中主吸收峰(4.27 eV)和次吸收峰(1.72 eV)更是高達106cm—1.以上結果表明,Gr/C3N vdWH 有望應用于納米光電器件,如激光器、太陽能電池、光催化劑、光催化納米器件以及光傳輸器件等.

圖6 單層Gr、單層C3N 和Gr/C3N vdWH 的光吸收率Fig.6.The optical absorbance of monolayer Gr,monolayer C3N,and Gr/C3N vdWH.

4 結論

總之,本文研究了Gr/C3N vdWH 的電學特性和光學特性.單層Gr 和單層C3N 通過弱vdW相互作用堆疊結合,有效抑制了FLP 效應,使得單層Gr 和單層C3N 的本征電子特性都沒有被破壞,并且可以調制SBH.構成的平衡態Gr/C3N vdWH形成p 型肖特基接觸,SBH 僅為0.039 eV,也可稱為準p 型歐姆接觸,比類似的Gr 基vdWH 異質結的SBH 小,只需外加小電場—0.1 V/?就可以實現p 型肖特基接觸到歐姆接觸的轉變.施加0.56 V/?正向電場也可以實現,p 型肖特基接觸到n 型肖特基接觸的轉變.垂直應變主要是壓縮(拉伸) vdWH來增強(減弱)異質結之間的相互作用實現調制.垂直應變還可以同時調制Gr/C3N vdWH 中Gr 和C3N 的帶隙,這是其他vdWH 的應變調制所不能實現的.特別的是,在Gr/C3N vdWH 中,通過壓縮應變可以打開Gr 狄拉克錐處約360 meV的帶隙.載流子的摻雜類型和濃度也可以通過施加的電場和垂直應變進行有效調控,外加電場和垂直應變的調制都可以實現1013cm—2的高摻雜濃度.與垂直應變調制相比,外加電場對載流子濃度的提高更為明顯.Gr/C3N vdWH 結合了原有單層Gr和單層C3N 的優點,增強了對可見光、紫外光和紅外光區域的光吸收率.這些發現可以為理解Gr/C3N vdWH 的物理性質提供理論指導,為納米電子和光電子器件的應用提供了新的思路.