边缘钝化增强α-硼烯纳米带异质结整流效应

摘要

本文提出基于α-硼烯纳米带的平面模型异质结，研究其电子输运性质。分别考虑三种异质结类型，每种由两条锯齿边α-硼烯纳米带（Z αBNR）组成：左侧为金属性的未钝化或单氢钝化（1H-Z αBNR），右侧为半导体性的双氢钝化（2H-Z αBNR）或单氮原子钝化（N-Z αBNR）。采用第一性原理计算结合非平衡格林函数方法，发现整流性能强烈依赖异质结原子结构细节。左侧金属带从ZBNR变为1H-Z αBNR时整流比几乎不变；但右侧半导体带从2H-Z αBNR变为N-Z αBNR时，整流比从120增至240。这一整流效应可用两侧电子能带匹配度微观解释。研究表明硼烯基异质结在整流纳米器件中具有潜在应用价值。

引言

过去几十年，包括石墨烯、硅烯、过渡金属二硫属化物（TMD）、磷烯在内的大量二维（2D）材料因独特性质被广泛研究。这些2D材料展现巨磁阻（GMR）、负差分电阻（NDR）、自旋过滤、整流等有趣电子输运行为，在纳米电子器件中应用前景广阔。近期研究还显示2D材料在纳米热电器件有广阔前景。随后，基于2D材料的横向异质结成为重要研究课题。理论研究表明横向异质结在场效应晶体管和互补金属氧化物半导体技术中有潜在应用。原子厚度的横向异质结已实现实验制备。这些成就激励探索更合适2D材料构建的横向异质结。

近期，硼烯单层在石墨烯和硅烯后受到广泛关注。理论预测单层硼片可稳定存在于金属衬底上，后经实验证实。目前在Ag(111)衬底外延生长已获得多种2D硼结构，如β₁₂-、χ₃-、δ₆-硼烯和蜂窝硼烯。理论指出引入六角孔可提高硼片稳定性。DFT计算显示“六角孔密度”（η）为1/9的硼烯（即α-硼烯）能量上最有利。锯齿边α-硼烯纳米带（Z αBNR）通过不同边缘修饰可呈现金属或半导体行为。尽管已有大量研究涉及硼烯纳米结构的电子结构、力学和热学性质，但其电子输运性质仍有待深入探索。

本文研究锯齿边Z αBNR构成的异质结输运性质。构建三种平面金属-半导体横向结，发现所有结在低偏压下均表现出整流行为，源于左右两侧不对称及中心散射区界面存在。随着半导体部分元胞数增加，整流效应更显著。输运性质强烈依赖右侧半导体纳米带，归因于半导体部分费米面附近的带隙。带隙增大导致电子穿越结概率降低，电流减小、整流比增大。特别是M10N结整流比达240，与石墨烯电极异质结相当，显示其在整流器件中的应用潜力。本文结构：第二节描述计算细节，第三节展示异质结输运性质，第四节总结结论。

模型与计算方法

考虑的Z αBNR单元胞（上部）及其电子能带色散（下部）见图1。(a)未钝化Z αBNR；(b-d)最外层边缘硼原子分别被一个氢原子（H）、两个H原子钝化或被氮（N）原子替代，分别称为1H-Z αBNR、2H-Z αBNR、N-Z αBNR。图1a显示本征Z αBNR多条能带穿过费米能级（E_F），呈金属性。1H-Z αBNR因部分饱和键被H饱和，E_F附近能带减少，仍呈金属性。2H-Z αBNR因边缘悬空键被两个H原子饱和，E_F移至成键反键带间隙，成为具有Γ点0.43 eV直接带隙的半导体（图1c）。结果与前人数值计算吻合。N-Z αBNR能带结构（图1d）显示其为具有1.0 eV间接带隙的半导体，可能因N替代边缘B原子位置带来足够电子填充成键轨道。

基于上述Z αBNR建立三种金属/半导体横向异质结模型。每个模型分左电极、右电极、中心散射区三部分（图2）。左电极始终为半无限长未钝化Z αBNR或1H-Z αBNR；右电极为半导体2H-Z αBNR或N-Z αBNR。三个结的中心散射区分别为：一个Z αBNR单元胞耦合n（n=1,2,5,8,10）个2H-Z αBNR单元胞；一个1H-Z αBNR耦合n个2H-Z αBNR单元胞；一个Z αBNR单元胞耦合n个N-Z αBNR单元胞。分别命名为M_nH、M'_nH、M_nN结（图2a-c）。图2仅展示n=1示意图，其他n值略去。

计算使用Atomistix ToolKit (ATK)软件包，基于DFT结合Keldysh非平衡格林函数（NEGF）。采用广义梯度近似（GGA）下的Perdew-Burke-Ernzerhof（PBE）泛函作为交换相关势。布里渊区采用1×1×100 Monkhorst-Pack k点网格采样，截断能设为150 Ry。所有异质结几何结构松弛至各原子受力绝对值小于0.01 eV/Å。为避免周期镜像相互作用，超胞至少包含15 Å真空层。

异质结在偏压V下的电流按Landauer-Büttiker公式计算：I(V) = (2e/h)∫T(E,V)[f_L(E,V)-f_R(E,V)]dE，其中h、e、V分别为普朗克常数、元电荷、偏压，f_L/R为左/右电极费米-狄拉克分布函数。透射系数T(E,V) = Tr[Γ_L(E,V)G(E,V)Γ_R(E,V)G†(E,V)]，其中G、G†为阻滞和先进格林函数，Γ_L(R)为中心散射区与左(右)电极耦合矩阵。

结果与讨论

三类异质结M_nH、M'_nH、M_nN在-1.0至1.0 V偏压范围内的电流-电压（I-V）曲线见图3a-c。正偏压下电流快速增加，负偏压下增加较慢，I-V曲线在全偏压范围显著不对称，表明结具有整流行为。整流效应主要源于左右不同纳米带的不对称性及中心散射区界面形成。为评估整流强度，计算整流比RR(V) = |I(+V)|/|I(-V)|。三类结在0.1-0.5 V偏压下的RR见图3d-f。M_nH型中，M1H在0.2 V时RR仅3，M10H达115。M'_nH型中，M'1H为3，M'10H达90。M_nN型中，M1N在0.3 V时RR为2，M10N高达240。进一步观察发现，电流幅值和RR可通过改变半导体部分尺寸控制：半导体元胞数增加导致结电流减小，但RR显著增大。因右侧为带隙半导体纳米带，电子隧穿概率随半导体长度指数衰减，故n增大时RR显著增加。这与基于其他2D材料异质结研究一致。

比较三类结的I-V曲线和RR（图3），M_nH和M'_nH趋势相似，M_nN显著不同。为解释差异，计算零偏压下透射谱（图4），附带左右电极能带结构。所有结在费米面附近均有透射间隙（品红虚线标示），因右电极能带结构在费米面附近有带隙，导致左右电极能带不匹配，输运通道关闭，左电极电子难以到达右电极，这是低偏压弱电流的物理本源。比较图4a、b和a、c可见，M_nH和M'_nH零偏压透射谱趋势相似；M_nH和M_nN差异大。这取决于左右电极费米面附近能带匹配度。M'_nH左侧金属带从Z αBNR变为1H-Z αBNR，匹配度几乎不变；M_nN右侧半导体带从2H-Z αBNR变为N-Z αBNR，带隙从0.43 eV增至1.0 eV，降低匹配度。因此，改变左侧金属带对输运性质影响小，改变右侧半导体带影响大。

为深入理解整流行为细节，计算特定偏压下透射谱（图5），上/下部对应正/负偏压。根据Landauer-Büttiker公式，结电流与偏压窗口内透射谱积分面积直接相关。三类模型共同趋势：偏压窗口内透射谱积分面积随半导体部分元胞数增加而减小，解释电流随半导体部分元胞数增加而减小（图3）。图5a为M_nH在±0.3 V透射谱。M1H在0.3 V积分面积仅略大于-0.3 V，故RR仅3。M5H和M10H正偏压积分面积显著大于负偏压，导致RR远大于M1H。图5b为M'_nH在±0.3 V透射谱，偏压窗口内透射谱与M_nH几乎相同，故电流和RR近似相同。图5c为M_nN在±0.9 V透射谱，因透射系数太小，放大偏压窗口内透射谱作为嵌图。M1N趋势类似M1H和M'1H，RR也小。M5N和M10N正偏压积分面积远大于负偏压，I-V曲线不对称特征更明显，意味着大整流比。值得注意的是M10N RR达240，为三类结中最优。

为更直观解释透射谱，展示M5H和M'5H在V=0.3 V, E=-0.15 eV及V=-0.3 V, E=0.15 eV下的透射本征态（图6a、b），以及M5N在V=0.9 V, E=-0.45 eV和V=-0.9 V, E=0.45 eV下的透射本征态（图6c）。透射本征态分析通过线性组合传播布洛赫态获得。所有异质结负偏压下透射本征态定域在金属部分（未钝化Z αBNR和1H-Z αBNR）；正偏压下主要定域在左侧，但在异质结形成透射通道，电子可从左电极传输至右电极。故偏压窗口内正偏压透射系数大于负偏压。比较图6a、b可见M'5H和M5H透射本征态仅微小差异，故偏压窗口透射系数近似。M5N因半导体部分带隙增大导致异质结电子散射更剧烈，仅少量透射本征态传至右侧，导致偏压窗口透射系数小于其他两类结，同偏压下电流最小。

为进一步探究左右纳米带对输运性质影响，图7展示三类异质结投影态密度（PDOS）。图7a显示M1H、M5H、M10H左电极（未钝化Z αBNR）贡献的PDOS谱在费米面附近重叠，表明左电极PDOS几乎不受中心散射区半导体纳米带（2H-Z αBNR）延伸影响。右电极（2H-Z αBNR）贡献的PDOS在费米面附近有间隙，源于右电极带隙。受中间散射区2H-Z αBNR延伸影响，M1H、M5H、M10H右电极PDOS在带隙外能量范围差异大。M'_nH和M_nH两电极无本质差异（右电极相同，左电极均为金属带），故费米面附近PDOS近似相同（图7a、b），这是M_nH和M'_nH低偏压下透射谱、I-V曲线、RR相似的原因之一。图7c为M_nN PDOS。因半导体部分带隙增大，左电极对输运性质影响减小，左电极PDOS在费米面附近更大能量范围重叠。右电极PDOS在(-0.5, 0.5) eV存在间隙，与N-Z αBNR能带结构间隙位置一致。PDOS分析表明：左侧金属电极对中心散射区输运性质影响小，右侧半导体电极至关重要。

结论

综上，研究了α-硼烯基三型异质结输运性质。三类结均表现出整流行为，其中Z αBNR/N-Z αBNR异质结整流比高达240。中心半导体部分元胞数增加使整流效应更显著。通过分析正/负偏压下透射谱和本征态揭示整流行为起源。异质结整流行为强烈依赖半导体部分纳米带带隙值，经左右电极贡献PDOS分析进一步证实。研究为整流电子器件设计提供新思路。

数据与材料可用性

纳米结设计和计算由ATK完成。

缩略语

2D:

二维

TMD:

过渡金属二硫属化物

GMR:

巨磁阻

NDR:

负差分电阻

DFT:

密度泛函理论

Z αBNR:

锯齿边α-硼烯纳米带

H:

氢原子

N:

氮原子

1H-Z αBNR:

边缘被一个氢钝化的Z αBNR

2H-Z αBNR:

边缘被两个氢原子钝化的Z αBNR

N-Z αBNR:

边缘硼原子被氮原子替代的Z αBNR

E_F:

费米能级

ATK:

Atomistix ToolKit

NEGF:

Keldysh非平衡格林函数

PBE:

Perdew-Burke-Ernzerhof

GGA:

广义梯度近似

BZ:

布里渊区

I-V曲线:

电流-电压曲线

RR:

整流比

PDOS:

投影态密度