垂直电场调控蓝磷烯/类石墨烯GaN范德华异质结带隙

摘要

第一性原理密度泛函计算揭示：单层和双层蓝磷烯/类石墨烯GaN（g-GaN）范德华（vdW）异质结均为间接带隙半导体，呈II型带隙对齐。带隙（Eg）可随外部垂直电场（Eext）线性调控，展现显著斯塔克效应。当电场超过临界值（单层≈0.9 eV/Å，双层≈0.7 eV/Å），异质结发生半导体-金属转变。

引言

二维（2D）材料——石墨烯、过渡金属二硫族化合物、黑磷烯、新近报道的类石墨烯GaN（g-GaN）——因其卓越电学光学性质及下一代纳米电子器件潜力持续吸引关注。蓝磷烯（blue-P）作为磷的波纹单层，已在Au(111)和GaN(001)衬底上外延生长，具备可观带隙与高载流子迁移率。g-GaN经迁移增强包覆生长合成，为间接带隙半导体，可被外部电场高效调控。蓝磷烯与g-GaN晶格匹配度高（~2%），使blue-P/g-GaN vdW异质结成为工程化带结构、探索层间电荷转移的理想平台。

尽管blue-P/TMDs和blue-P/石墨烯异质结研究深入，blue-P/g-GaN体系电子行为知之甚少。本文采用vdW修正DFT研究单层和双层blue-P/g-GaN异质结的能带结构、带隙对齐及电场诱导带隙调制。

计算方法

使用CASTEP包进行平面波DFT计算，投影增强波（PAW）基组。广义梯度近似（PBE）处理交换相关，HSE06杂化泛函修正带隙。范德华相互作用经Grimme DFT-D2方案纳入。500 eV平面波截断，7×7×1 k点网格用于几何优化；电子态用21×21×1网格采样。c轴20 Å真空层消除周期像相互作用。结构弛豫至力<0.001 eV/Å。

结果与讨论

单层蓝磷烯和g-GaN优化晶格常数分别为3.25 Å和3.20 Å，晶格失配仅~2%。平衡层间间距单层3.57 Å、双层3.52 Å，结合能约49 meV，与BP/石墨烯等vdW体系相当。

能带结构计算显示：单层异质结间接带隙1.26 eV（GGA）/2.20 eV（HSE06），双层为1.075 eV（GGA）/1.91 eV（HSE06）。导带底位于M点附近，价带顶在K点，确认II型（错位）对齐。复合体系与纯蓝磷烯功函数差ΔEF：单层-1.17 eV、双层-0.81 eV，与观测带偏移一致。

施加垂直外部电场（Eext）调制Eg呈斯塔克型线性依赖。单层中，Eg随正电场增大至0.5 eV/Å，随后饱和，超0.6 eV/Å时下降，最终在≈0.9 eV/Å闭合带隙。双层趋势相似但半导体-金属转变临界场更低（≈0.7 eV/Å）。负电场线性降低Eg，单层近-0.8 eV/Å、双层近-0.5 eV/Å时带隙消失。

电荷密度分析显示：正偏压驱动电子从蓝磷烯层向g-GaN层转移，负偏压反之。±0.5 eV/Å时累积电荷最强，确认电场诱导电荷转移支撑斯塔克效应。

投影态密度计算表明：价带顶主要由g-GaN态贡献，导带底主要源自蓝磷烯，强化II型对齐结论。

结论

第一性原理计算证实：单层和双层蓝磷烯/g-GaN vdW异质结为间接带隙半导体，具II型带隙对齐。带隙可随垂直电场线性调控，展现显著斯塔克效应，电场超≈0.9 eV/Å（单层）或≈0.7 eV/Å（双层）时发生可控半导体-金属转变。为基于blue-P/g-GaN异质结设计电学可调二维光电器件提供清晰路径。

缩略语

2D

二维

Blue-P

蓝磷烯

BP

黑磷烯

CASTEP

剑桥序列总能量包

CBM

导带底

DFT

密度泛函理论

GGA

广义梯度近似

g-GaN

类石墨烯GaN

MEEG

迁移增强包覆生长

PAW

投影增强波

PBE

Perdew-Burke-Ernzerhof

TMDs

过渡金属二硫族化合物

VBM

价带顶

vdW

范德华