二維NiBr2 單層自旋電子輸運(yùn)以及光電性質(zhì)*

王賀巖 高怡帆 廖家寶 陳俊彩 李怡蓮 吳怡 徐國(guó)亮 安義鵬

(河南師范大學(xué)物理學(xué)院,新鄉(xiāng) 453007)

磁性半導(dǎo)體材料在自旋電子器件領(lǐng)域具有重要的應(yīng)用前景.本文設(shè)計(jì)了一些基于磁性半導(dǎo)體NiBr2 單層的納米器件結(jié)構(gòu),并采用密度泛函理論結(jié)合非平衡格林函數(shù)方法,研究了其自旋輸運(yùn)和光電性質(zhì).結(jié)果表明,在不同的輸運(yùn)方向(扶手椅形和鋸齒形),NiBr2 單層PN 結(jié)二極管表現(xiàn)出明顯的整流效應(yīng)及自旋過(guò)濾效應(yīng),這兩種效應(yīng)在其亞3 nm PIN 結(jié)場(chǎng)效應(yīng)晶體管中也同樣存在.NiBr2 單層PIN 結(jié)場(chǎng)效應(yīng)晶體管的電子傳輸受到柵極電壓的調(diào)控,電流隨著柵極電壓的增大受到抑制.另外,NiBr2 單層對(duì)藍(lán)、綠光有較強(qiáng)的響應(yīng),其光電晶體管在兩種可見(jiàn)光的照射下可以產(chǎn)生較強(qiáng)的光電流.本文研究結(jié)果揭示了NiBr2 單層的多功能特性,為鎳基二鹵化物在半導(dǎo)體自旋電子器件和光電器件領(lǐng)域的應(yīng)用提供了重要參考.

1 引言

自石墨烯被發(fā)現(xiàn)以來(lái),二維(two-dimensional,2D)材料的研究已成為物理、材料和化學(xué)家的關(guān)注熱點(diǎn)[1,2].它們可以表現(xiàn)出金屬、半金屬、半導(dǎo)體、絕緣體和超導(dǎo)等性質(zhì),越來(lái)越多的二維材料被理論預(yù)言或在實(shí)驗(yàn)上制備出來(lái),例如過(guò)渡金屬二硫化物[3],硼烯[4?9],磷烯[10],CrI3[11],Fe3GeTe2[12?15],MnBi2Te4[16],MA2Z4[17?20],VS2|MoS2[21]等.尤其是具有磁性的二維半導(dǎo)體結(jié)構(gòu),增加了一個(gè)自旋自由度,在半導(dǎo)體器件領(lǐng)域具有重要應(yīng)用前景.隨著對(duì)二維磁性半導(dǎo)體材料的廣泛研究[22?26],人們發(fā)現(xiàn),當(dāng)范德瓦耳斯結(jié)構(gòu)的磁性塊體材料維數(shù)降低到二維極限后,其單層結(jié)構(gòu)的物理特性發(fā)生了巨大的變化,例如,會(huì)表現(xiàn)出自旋霍爾效應(yīng)和谷極化現(xiàn)象[27].而且,二維磁性材料的磁性可以通過(guò)門電極來(lái)調(diào)控[4,28,29],這一特性揭示了二維磁性材料新的物理性質(zhì)[11,25,27],同時(shí)也為其在自旋納米電子器件領(lǐng)域的應(yīng)用提供了新機(jī)遇.因此,尋找新的二維磁性材料,并設(shè)計(jì)一些功能多樣的磁性納米器件結(jié)構(gòu)是一個(gè)十分活躍的研究領(lǐng)域,這也將推動(dòng)新技術(shù)的發(fā)展.

近年來(lái),人們預(yù)測(cè)鎳基二鹵化物這類范德瓦耳斯層狀材料具有鐵磁性[30?33].在最近的實(shí)驗(yàn)中,通過(guò)分子束外延生長(zhǎng)的方法,在Au(111)襯底上獲得了高質(zhì)量的鎳基二溴化物-NiBr2[34],其單層結(jié)構(gòu)表現(xiàn)出半導(dǎo)體性質(zhì),同時(shí)具有較強(qiáng)磁性[34],在磁性半導(dǎo)體器件領(lǐng)域具有重要的應(yīng)用前景.因此,對(duì)二維磁性半導(dǎo)體NiBr2單層的自旋電子輸運(yùn)性質(zhì)及其磁性納米器件模型設(shè)計(jì)的深入研究具有重要意義.本文設(shè)計(jì)了一些基于NiBr2單層的概念性納米器件結(jié)構(gòu),并采用第一性原理方法研究了它們的自旋電子輸運(yùn)性質(zhì).首先,構(gòu)建了NiBr2單層的PN結(jié)二極管結(jié)構(gòu),揭示了其在不同方向(扶手椅形和鋸齒形)上的自旋電子輸運(yùn)性質(zhì);隨后,構(gòu)建了NiBr2單層的PIN 結(jié)場(chǎng)效應(yīng)晶體管結(jié)構(gòu),揭示了門電極對(duì)其自旋輸運(yùn)性質(zhì)的調(diào)控作用;最后,構(gòu)建了NiBr2單層的光電晶體管結(jié)構(gòu),并研究了其光電輸運(yùn)性質(zhì),揭示了其在光電納米器件領(lǐng)域的潛在應(yīng)用.

2 計(jì)算方法

本文使用ATK (Atomistix ToolKit)[35,36]程序包,采用密度泛函理論結(jié)合非平衡格林函數(shù)方法[37],進(jìn)行第一性原理自洽計(jì)算和電子輸運(yùn)性質(zhì)計(jì)算[38,39].使用自旋極化廣義梯度近似Perdew-Burke-Ernzerhof 交換關(guān)聯(lián)泛函描述電子交換和關(guān)聯(lián)效應(yīng)[40,41],采用Hubbard-U修正來(lái)描述Ni 原子的局域3d 軌道.U修正通常會(huì)有效促進(jìn)帶隙的打開(kāi)[29,35,36,42].測(cè)試結(jié)果表明,采用U=3 eV 時(shí)可以得到與其帶隙的實(shí)驗(yàn)數(shù)值(1.97 eV)[32]較為符合的結(jié)果(2.00 eV).所有原子的原子核都由優(yōu)化的模守恒贗勢(shì)(ONCV)描述[43],核外價(jià)電子的電子波函數(shù)采用原子軌道線性組合方法在SG15[44]贗勢(shì)和基組水平上展開(kāi).NiBr2單層的真空層厚度大于20 ?,實(shí)空間網(wǎng)格密度截?cái)嗄転?10 Ha (2993 eV).對(duì)Z 型和A 型NiBr2單層器件的左右電極區(qū)的布里淵區(qū)分別采用1×5×260 和1×7×154 的Monkhorst-Packk點(diǎn)網(wǎng)格進(jìn)行采樣.在晶格常數(shù)和原子位置的結(jié)構(gòu)弛豫中,總能量和每個(gè)原子的受力收斂標(biāo)準(zhǔn)分別為小于10–6eV 和10–3eV/?.聲子譜的計(jì)算采用9×9×1 的動(dòng)力學(xué)矩陣及9×9×1 的Monkhorst-Packk點(diǎn)網(wǎng)格進(jìn)行采樣.

如圖1(a)所示,NiBr2具有空間群(群號(hào):164)[22],每個(gè)單胞包含一個(gè)Ni 原子和兩個(gè)Br原子,形成3 個(gè)原子層,呈六邊形蜂窩狀結(jié)構(gòu).面內(nèi)晶格常數(shù)a為3.71 ?,Ni—Br 原子之間的鍵長(zhǎng)d為2.56 ?.NiBr2單層具有鐵磁性,其磁性源于最近鄰Ni 原子之間d-d 軌道的電子交換和Br 原子p 軌道的電子超交換[45].每個(gè)單胞的磁矩為2μB,主要由二價(jià)Ni 原子貢獻(xiàn),與以往報(bào)道一致[32].

圖1 NiBr2 單層的幾何和電子結(jié)構(gòu) (a) NiBr2 單層的頂部和側(cè)面示意圖(x 軸表示沿鋸齒形方向;y 軸表示沿扶手椅形方向);(b) 聲子能帶和聲子投影態(tài)密度;自旋(c)向上態(tài)和(d)向下態(tài)的元素投影電子能帶和投影態(tài)密度.費(fèi)米能級(jí)(EF)移到了能量零點(diǎn)位置Fig.1.Geometric and electronic structures of NiBr2 monolayer (NiBr2-ML):(a) Schematic diagram of the top and side views of NiBr2-ML (x axis refers to the zigzag direction of NiBr2-ML,and y axis indicates its armchair direction);(b) phonon band and projected phonon density of states (Ph-DOS);element-projected band structures and density of states (DOS) for (c) the spin-up and(d) spin-down states.The Fermi level (EF) is shifted to zero.

3 計(jì)算結(jié)果和討論

3.1 NiBr2 單層的原子結(jié)構(gòu)和電子特性

為了確定NiBr2單層自由狀態(tài)的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性,對(duì)其聲子譜和聲子態(tài)密度進(jìn)行了計(jì)算和分析,如圖1(b)所示.NiBr2單層的聲子譜沒(méi)有虛頻,證明其動(dòng)力學(xué)穩(wěn)定性能夠在無(wú)襯底的自由狀態(tài)下保持.每個(gè)NiBr2單胞中包含3 個(gè)原子,因此其聲子譜共有9 條聲子分支,具體可分為3 條聲學(xué)(A)分支和6 條光學(xué)(O)分支[46].通過(guò)分析其元素投影的聲子態(tài)密度(phonon density of states,Ph-DOS)可以發(fā)現(xiàn),其聲學(xué)支和低頻光學(xué)分支主要由Ni 原子的振動(dòng)貢獻(xiàn),而高頻光學(xué)分支主要來(lái)自于Br 原子的簡(jiǎn)諧振動(dòng).

圖1(c)和圖1(d)為自旋向上和向下態(tài)的元素投影能帶和投影態(tài)密度,費(fèi)米能級(jí)(EF)在能量零點(diǎn)位置.NiBr2單層與SiC[47,48]類似,都屬于寬帶隙半導(dǎo)體,大于同家族的鎳基二碘化物-NiI2的間接帶隙(1.11 eV)[45].對(duì)于不同的自旋態(tài),它們的不同之處表現(xiàn)在,Br 原子的p 軌道電子主要對(duì)自旋向上態(tài)中的高能價(jià)帶產(chǎn)生貢獻(xiàn);而對(duì)于自旋向下態(tài),在Br 原子的p 軌道電子對(duì)其價(jià)帶頂產(chǎn)生主要貢獻(xiàn)的基礎(chǔ)上,Ni 原子d 軌道的貢獻(xiàn)隨著能量降低而明顯提高.它們的相同之處表現(xiàn)在,自旋向上和自旋向下態(tài)的導(dǎo)帶由Ni 原子d 軌道和Br 原子p 軌道電子共同貢獻(xiàn),而Ni 原子貢獻(xiàn)較多,且在1 eV 附近出現(xiàn)兩條自旋向下態(tài)能帶,導(dǎo)致了其自旋向下態(tài)的帶隙明顯低于自旋向上態(tài),這可能會(huì)誘導(dǎo)其自旋極化現(xiàn)象的出現(xiàn).

圖2(a)和圖2(b)分別顯示了自旋向上和向下態(tài)的導(dǎo)帶和價(jià)帶在Γ點(diǎn)附近的能量色散關(guān)系.自旋態(tài)的能量色散在二維k空間中呈六邊形,這可以在其第一布里淵區(qū)投影中清晰地觀察到(圖2(c)—(f)).此外,自旋向上和向下態(tài)的導(dǎo)帶在Γ點(diǎn)附近還表現(xiàn)出各向異性(圖2(c)和圖2(e)).載流子的有效質(zhì)量(m*)在導(dǎo)帶底位置具有極小值,自旋向上和向下態(tài)的有效質(zhì)量分別為0.51me(M點(diǎn))和0.65me(Γ-M點(diǎn)之間),me為自由電子質(zhì)量;相應(yīng)的費(fèi)米速度分別為3.40×104和2.17×104m/s,略小于石墨烯(9.00×105m/s)和硅烯(5.70×105m/s)的費(fèi)米速度[49].

圖2 Γ 點(diǎn)附近的(a)自旋向上和(b)自旋向下的導(dǎo)帶和價(jià)帶的三維(3D)視圖及在(c)—(f)第一布里淵區(qū)的二維投影圖;顏色卡顯示了導(dǎo)帶和價(jià)帶的能量本征值從低(紅色)到高(紫色)Fig.2.Three-dimensional (3D) views of the conduction and valence bands for the (a) spin-up and (b) spin-down states around the Γ point,and (c)–(f) their 2D projections in the first Brillouin zone.The colorbar shows the eigenvalues of bands from low (red) to high (purple).

盡管NiBr2單層自旋向上通道中的載流子遷移率比自旋向下態(tài)稍高,但是其自旋極化的電子輸運(yùn)主要發(fā)生在自旋向下態(tài),主要原因是自旋向上態(tài)的帶隙過(guò)大,內(nèi)建電場(chǎng)對(duì)載流子漂移的阻礙更加明顯.為了更好地理解這一現(xiàn)象,設(shè)計(jì)了幾個(gè)基于NiBr2單層的納米器件結(jié)構(gòu),以便更深入地研究其自旋電子輸運(yùn)性質(zhì).由于沿圖1(a)中NiBr2單層x軸(鋸齒形Z 結(jié)構(gòu))和y軸(扶手椅形A 結(jié)構(gòu))的能量色散和有效質(zhì)量在遠(yuǎn)離Γ點(diǎn)處變得各向異性,從而導(dǎo)致沿這兩個(gè)方向的輸運(yùn)性質(zhì)會(huì)有所不同,這一特性也表現(xiàn)在其他二維材料中[5,50,51].因此,本文分別構(gòu)建了沿著NiBr2單層鋸齒形和扶手椅形兩個(gè)方向的器件結(jié)構(gòu),計(jì)算了它們的自旋電子輸運(yùn)性質(zhì).

3.2 NiBr2 單層PN 結(jié)二極管和自旋輸運(yùn)性質(zhì)

圖3(a)為使用P 型和N 型原子補(bǔ)償電荷的靜電摻雜方法構(gòu)建的NiBr2單層PN 結(jié)二極管[52].這種摻雜方法不依賴于摻雜雜質(zhì)的精確原子細(xì)節(jié),且完全獨(dú)立于系統(tǒng)的尺寸和精確的幾何形狀,在納米器件建模中被廣泛使用[53?55].根據(jù)圖1(a)原子晶格結(jié)構(gòu),NiBr2單層PN 結(jié)二極管存在鋸齒形Z 結(jié)構(gòu)(沿x軸)和扶手椅形A 結(jié)構(gòu)(沿y軸)兩種構(gòu)型,使用3×1013cm–2的摻雜濃度(相當(dāng)于1020cm–3的中等體摻雜濃度)[41,56],得到由漏極(D)和源極(S)以及帶有PN 結(jié)的中心散射區(qū)域組成的NiBr2單層PN 結(jié)二極管.其中D/S 電極沿傳輸方向向兩側(cè)半無(wú)限延長(zhǎng),由PN 摻雜的NiBr2單層超胞描述.正向D-S 偏壓Vb產(chǎn)生從D 電極到S 電極的正電流,反之為反向電流.PN 結(jié)二極管中通過(guò)的自旋電流由以下公式得到[57]:

圖3 NiBr2 單層PN 結(jié)二極管的自旋輸運(yùn)性質(zhì) (a) NiBr2 單層PN 結(jié)二極管示意圖;(b) Z 型NiBr2 單層PN 結(jié)二極管的偏置電壓-電流和極化率曲線;(c) Z 型NiBr2 單層PN 結(jié)二極管的整流比曲線;(d)—(f) 在0,–0.8 和0.8 V 偏置電壓下的自旋極化透射譜(左側(cè))和投影局域態(tài)密度圖(右側(cè)),其中上圖對(duì)應(yīng)自旋向上態(tài),下圖對(duì)應(yīng)自旋向下態(tài).圖(d)中的顏色卡顯示了(d)—(f)中的數(shù)據(jù)從0 (白色)到高(藍(lán)色)Fig.3.Spin-resolved transport properties of PN-junction diodes of NiBr2-ML:(a) Schematic of the PN-junction diodes of NiBr2-ML.(b) I-V and polarization ratio (PR) curves of Z-type PN-junction diode of NiBr2-ML;(c) rectifying ratio curve of Z-type PN-junction diode of NiBr2-ML;(d)–(f) spin-resolved transmission spectra T(E) and projected local density of states under the biases of 0,–0.8,and 0.8 V,where the top panel and bottom panel correspond to spin-up and spin-down state,respectively.The colorbar shows the data from 0 (white) to high (blue).

其中,σ表示自旋向上(↑)和自旋向下(↓)態(tài)的指數(shù),總電流I為Iσ的和,e和h分別指電子電荷和普朗克常數(shù),Tσ(E,Vb)是PN 結(jié)的自旋透射系數(shù),fD(S)={1+exp[(E–μD(S))/kBTD(S)]}–1為D(S)電極的費(fèi)米-狄拉克分布函數(shù),μD(S)和TD(S)分別為化學(xué)勢(shì)和電子溫度.本工作中,偏壓Vb采樣間隔為0.1 V.

圖3(b)中Z 型NiBr2單層PN 結(jié)二極管的自旋輸運(yùn)電流-電壓(I-V)曲線顯示出很強(qiáng)的單向傳導(dǎo)性(即整流作用).由于自旋向上態(tài)的自旋輸運(yùn)電流基本為零,所以其在反向偏置電壓–0.8 V 下具有很高的整流比(109),如圖3(c)所示(整流比定義為RR=|I(–Vb)/I(Vb)|).開(kāi)路在負(fù)偏壓態(tài),其閾值電壓較高(Von=–0.5 V).在補(bǔ)充材料圖S1(online)中給出了Z 型NiBr2單層PN 結(jié)二極管在–0.4 和–0.5 V 偏置電壓下的自旋極化透射譜和投影局域態(tài)密度.可知,僅在反向偏壓增至–0.5 V 時(shí),左右兩側(cè)PN 結(jié)的能帶交疊開(kāi)始進(jìn)入偏壓窗,從而導(dǎo)致電流開(kāi)始明顯增長(zhǎng).此外,在反向偏置電壓(–0.5 V)下,自旋極化率PR=(I↓–I↑)/(I↑+I↓)約為90%.隨著反向偏壓的增大,自旋極化率逐漸達(dá)到100%.自旋過(guò)濾特性主要?dú)w因于其自旋能帶本征結(jié)構(gòu)固有的帶隙差異,因此,自旋過(guò)濾效應(yīng)屬于其本征屬性.器件兩端PN 結(jié)的摻雜濃度會(huì)影響其整流和自旋極化率的大小[16].NiBr2單層PN 結(jié)二極管在納米整流器、自旋閥和自旋過(guò)濾器方面具有潛在應(yīng)用.

圖3(d)—(f)為偏壓下的自旋分辨透射譜和投影局域態(tài)密度(projected local density of states,PLDOS).結(jié)果表明,在NiBr2單層PN 結(jié)二極管上施加偏置電壓后,PN 摻雜端的導(dǎo)帶和價(jià)帶產(chǎn)生較大的谷分裂,并發(fā)生上下移動(dòng)[28],且自旋向下態(tài)的投影局域態(tài)密度能隙遠(yuǎn)小于自旋向上態(tài)的情況.施加0.8 V 前向偏置電壓后,自旋向下態(tài)中導(dǎo)帶的自由電子和價(jià)帶的空穴在偏壓窗口外對(duì)齊,載流子不能進(jìn)行有效的漂移,因此不能產(chǎn)生有效的電子-空穴對(duì);而在自旋向上態(tài)中由于導(dǎo)帶與價(jià)帶之間的帶隙較大,也不能產(chǎn)生有效的電子-空穴對(duì)和偏置電流.當(dāng)施加–0.8 V 反向偏置電壓后,雖然偏壓窗口在不同自旋分辨態(tài)下都出現(xiàn)了載流子的漂移,但是自旋向上和向下態(tài)產(chǎn)生的結(jié)果卻有較大差別.如圖3(e)顯示,自旋向下態(tài)中導(dǎo)帶和價(jià)帶之間發(fā)生了電子隧穿,進(jìn)而產(chǎn)生強(qiáng)電子傳輸,對(duì)PN 結(jié)二極管偏置電流的產(chǎn)生起主導(dǎo)作用;而自旋向上態(tài)中導(dǎo)帶與價(jià)帶之間未出現(xiàn)明顯的電子隧穿,所以沒(méi)有產(chǎn)生隧穿電流.基于此,NiBr2單層PN 結(jié)二極管表現(xiàn)出明顯的單向?qū)ㄐ砸约白孕^(guò)濾效應(yīng).

Z 型NiBr2單層PN 結(jié)二極管在–0.8 V 反向偏壓下的總電流和微分電導(dǎo)密度分別為147 μA/mm(圖3(b))和0.38 S/mm (圖4(a)).當(dāng)反向偏壓超過(guò)–0.5 V 閾值時(shí),微分電導(dǎo)曲線(dI/dV)的自旋極化現(xiàn)象隨著負(fù)偏壓的減小而逐漸增強(qiáng)(圖4(a)).圖4(b)顯示了偏壓相關(guān)的自旋向上和向下態(tài)的透射譜.可以發(fā)現(xiàn),隧穿電流主要出現(xiàn)在偏壓窗口內(nèi),偏置電流主要由自旋向下態(tài)的強(qiáng)電子傳輸貢獻(xiàn).圖4(c)為在–0.8 V 偏置電壓下與k相關(guān)的自旋電子透射系數(shù)T(E,k),結(jié)果表明電子透射主要發(fā)生在Γ點(diǎn)附近.A 型NiBr2單層PN 結(jié)二極管顯示出與Z 型二極管相似的整流和自旋過(guò)濾效應(yīng),它們的自旋電子輸運(yùn)機(jī)制相同(見(jiàn)補(bǔ)充材料圖S2 和圖S3 (online)).由于沿A 方向的載流子有效質(zhì)量較大,所以沿A 方向的電流遠(yuǎn)小于沿Z 方向的電流,這表明其各向異性較強(qiáng)[5].

圖4 NiBr2 單層PN 結(jié)二極管的器件特性 (a) Z 型NiBr2 單層PN 結(jié)二極管的微分電導(dǎo)曲線;(b) 偏壓相關(guān)的自旋向上和自旋向下態(tài)的電子透射譜;(c)–0.8 V 偏壓時(shí)k 空間相關(guān)的自旋電子透射系數(shù)T(E,k).顏色圖顯示了從0 (白色)到高(藍(lán)色)的圖(b)和(c)數(shù)據(jù),其中上圖對(duì)應(yīng)自旋向上態(tài),下圖對(duì)應(yīng)自旋向下態(tài)Fig.4.Device properties of the PN-junction diodes of NiBr2-ML:(a) Difference conductance curves of Z-type PNjunction diodes of NiBr2-ML;(b) bias-dependent transmission spectra for the spin-up and spin-down states;(c) k-dependent transmission coefficients T(E,k) at –0.8 V.The colormap shows the T(E,k) from 0 (white) to high (blue).Top and bottom panel in (b) and (c) correspond to spin-up and spin-down state,respectively.

3.3 NiBr2 單層場(chǎng)效應(yīng)晶體管

進(jìn)一步構(gòu)建Z 型NiBr2單層的PIN 結(jié)場(chǎng)效應(yīng)晶體管,如圖5(g)所示.PIN 結(jié)的左右電極分別進(jìn)行了P 型和N 型摻雜,中間本征區(qū)(I)是長(zhǎng)度為3 nm 的場(chǎng)效應(yīng)晶體管溝道,頂部和底部柵極都位于中心區(qū)域附近.通過(guò)亞3 nm PIN 結(jié)場(chǎng)效應(yīng)晶體管的自旋電子電流為

圖5 Z 型NiBr2 單層PIN 結(jié)場(chǎng)效應(yīng)晶體管在不同柵壓下的輸運(yùn)特性 (a)—(c) 0,1 和2 V 柵極電壓下自旋向上和自旋向下的偏置電流和自旋極化率曲線;(d)—(f) 在0,1 和2 V 柵極電壓下的自旋極化透射譜和投影局域態(tài)密度圖,其中上圖對(duì)應(yīng)自旋向上態(tài),下圖對(duì)應(yīng)自旋向下態(tài);(g) NiBr2 單層PIN 結(jié)場(chǎng)效應(yīng)晶體管示意圖Fig.5.Transport properties of Z-type NiBr2-ML PIN-junction field-effect transistors (FET) under different gate voltages:(a)–(c) I-V and polarization ratio curves under the gate voltages of 0,1,and 2 V,respectively;(d)–(f) spin-resolved transmission spectra T(E)and projected local density of states under the biases of 0,1,and 2 V,where top and bottom panel correspond to spin-up and spindown state,respectively;(g) schematic of the NiBr2-ML FET.

圖5(a)顯示了Z 型NiBr2單層PIN 結(jié)場(chǎng)效應(yīng)晶體管在柵極電壓為0 V 時(shí)的伏安特性曲線和極化率曲線.其電流密度相比Z 型NiBr2單層的PN結(jié)二極管有較小的提升,主要原因可通過(guò)圖5(d)對(duì)應(yīng)0 V 柵極電壓下的自旋分辨透射譜和PLDOS來(lái)理解.在偏壓窗口內(nèi),價(jià)帶與導(dǎo)帶間的寬度較PN 結(jié)二極管有明顯的減小,更容易產(chǎn)生隧穿電流.此外,Z 型NiBr2單層PIN 結(jié)場(chǎng)效應(yīng)晶體管也表現(xiàn)出較強(qiáng)的整流和自旋過(guò)濾效應(yīng).為進(jìn)一步研究柵極電壓對(duì)其電子輸運(yùn)的調(diào)控作用,可以研究柵極電壓分別為1 和2 V 的情況,如圖5(b)和圖5(c)所示.結(jié)果表明,隨著柵極電壓的增大,其電流密度有明顯的下降趨勢(shì),這是由于柵極電壓增大了中心本征區(qū)半導(dǎo)體的帶隙,導(dǎo)致其電流密度受到抑制,如圖5(e)和圖5(f)所示.結(jié)果顯示其具有明顯的場(chǎng)效應(yīng)行為,這與MnBi2Te4磁性拓?fù)浣^緣體的情況一致[16].

圖6 為Z 型NiBr2單層PIN 結(jié)場(chǎng)效應(yīng)晶體管分別在0,1,2 V 柵極電壓下的整流比曲線.在柵極電壓為0 V 時(shí),其整流比最大(例如在–0.8 V 時(shí)可達(dá)1014數(shù)量級(jí)).隨著柵極電壓的增加,在柵極電壓為2 V 時(shí),其整流比減小到109數(shù)量級(jí).A 型NiBr2單層PIN 結(jié)場(chǎng)效應(yīng)晶體管表現(xiàn)出與Z 型場(chǎng)效應(yīng)晶體管相同的場(chǎng)效應(yīng)特性(見(jiàn)補(bǔ)充材料圖S4和圖S5 (online)),不過(guò)其電流密度遠(yuǎn)小于Z 型結(jié)構(gòu),表現(xiàn)出較強(qiáng)的電各向異性性質(zhì),且A 型結(jié)構(gòu)整流比更大,整流作用更明顯.

圖6 在不同柵極電壓下,Z 型NiBr2 單層PIN 結(jié)場(chǎng)效應(yīng)晶體管的自旋向上(up)、自旋向下(dn)及總的(Total)整流比曲線(a) Vg =0 V;(b) Vg =1 V;(c) Vg =2 VFig.6.Spin-up,spin-down,total rectifying ratio curves of Z-type NiBr2-ML PIN-junction FET under different gate voltages:(a) Vg =0 V;(b) Vg =1 V;(c) Vg =2 V.

3.4 NiBr2 單層光電晶體管

最后,本研究小組設(shè)計(jì)了NiBr2單層的光電晶體管,并研究了其光電性能及在自旋光電器件領(lǐng)域的潛在應(yīng)用.當(dāng)光子能量大于NiBr2單層的能隙時(shí),光電導(dǎo)通道開(kāi)始導(dǎo)通.對(duì)于自旋向下態(tài),其在可見(jiàn)光的藍(lán)光區(qū)有較寬且較高的光電導(dǎo)率(σ)峰(圖7(a));而自旋向上態(tài)的間接能隙較大,光電子很難實(shí)現(xiàn)躍遷,光電導(dǎo)過(guò)程受到抑制.因此NiBr2單層的光電晶體管有望成為自旋過(guò)濾器的理想候選材料,且可在AM1.5 標(biāo)準(zhǔn)內(nèi)開(kāi)發(fā)基于NiBr2單層的光伏器件[58].為此,本研究小組設(shè)計(jì)了基于Z 型NiBr2單層的光電晶體管(圖7(b)),進(jìn)一步揭示了其在光照條件下的光電傳輸特性和柵極電壓的調(diào)節(jié)作用.

圖7 NiBr2 單層的光電特性 (a) NiBr2 單層的光電導(dǎo)率,七彩光譜背景色為可見(jiàn)光區(qū);(b) NiBr2 單層的PIN 結(jié)光電晶體管示意圖;(c) Z 型NiBr2 單層的PIN 結(jié)光電晶體管在0 V 偏壓(無(wú)電源)下的自旋光電流密度;(d) 0 V 偏壓時(shí)不同柵極電壓下的Z 型NiBr2 單層的PIN 結(jié)光電晶體管光電流譜.IR,VR,UR 分別指紅外區(qū)、可見(jiàn)光區(qū)、紫外區(qū)Fig.7.Photoelectric properties of the NiBr2-ML:(a) Optical-conductivity of NiBr2-ML,where the embedded spectrum pattern displays the visible region;(b) schematic of the PIN-junction phototransistor of NiBr2-ML;(c) spin-resolved photocurrent density of the Z-type PIN-junction phototransistor of NiBr2-ML under zero bias (without power);(d) gate-dependent photocurrent spectra of the Z-type phototransistor of NiBr2-ML under zero bias.IR,VR,and UR refer to the infrared,visible,and ultraviolet region,respectively.

本工作中入射光為線性極化光,光子的能量范圍為0—5 eV.當(dāng)頻率為ω的光子進(jìn)入NiBr2單層晶體管電極并被吸收后,產(chǎn)生的光生電流為[59,60]

式中α=D/S,總光電流由Iph=ID–IS得到.在零偏壓(無(wú)電源)下,NiBr2單層PIN 結(jié)光電晶體管在可見(jiàn)光的藍(lán)光區(qū)域具有較高的σ峰(圖7(a)),從而具有較強(qiáng)的光響應(yīng).其光響應(yīng)行為主要由自旋向下態(tài)貢獻(xiàn),產(chǎn)生的0.8 μA/mm2總自旋光電流(圖7(c))與硅太陽(yáng)能電池較為接近[60].此外,自旋向下光電流在可見(jiàn)光的藍(lán)、綠光重疊區(qū)域有更高的峰值,表明其在光電傳感器中具有潛在應(yīng)用價(jià)值.光電流主要由自旋向下態(tài)貢獻(xiàn),且對(duì)綠光和藍(lán)光區(qū)域有較強(qiáng)光電響應(yīng),這與本征的光電導(dǎo)率一致,其光電響應(yīng)屬于其本征屬性.而光電流峰值與光電導(dǎo)曲線相比略有紅移,可能與電磁波磁矢量對(duì)NiBr2自旋電子分離導(dǎo)致的載流子濃度變化有關(guān).

通常可使用柵電極來(lái)調(diào)節(jié)光電晶體管的光學(xué)響應(yīng)[61,62],不同的柵極電壓顯著影響著Z 型NiBr2單層PIN 結(jié)光電晶體管的光電性能.當(dāng)施加較小的正向柵極電壓時(shí),可產(chǎn)生強(qiáng)光電流峰值,但隨著正向柵極電壓的增加或反向柵極電壓的減小,光電流逐漸減弱(圖7(d)).對(duì)于A 型NiBr2單層PIN結(jié)光電晶體管,光電子在自旋向下態(tài)發(fā)生躍遷,并且在可見(jiàn)光的藍(lán)、綠光區(qū)域具有兩個(gè)較高的σ峰,從而分別產(chǎn)生0.5 μA/mm2和接近0.5 μA/mm2的總光電流(補(bǔ)充材料圖S6 (online)).因此,NiBr2單層PIN 結(jié)光電晶體管可用于檢測(cè)綠光(A 型)和藍(lán)光(A/Z 型)的光學(xué)器件或光電傳感器.

4 結(jié)論

本文設(shè)計(jì)了一些基于NiBr2單層的納米器件結(jié)構(gòu),并使用第一性原理方法研究了它們的自旋電子輸運(yùn)性質(zhì)和光電性質(zhì).NiBr2單層的Z 型和A 型PN 結(jié)二極管在反向偏壓下,均表現(xiàn)出較強(qiáng)的自旋過(guò)濾效應(yīng)和整流效應(yīng)(整流比的數(shù)量級(jí)分別達(dá)到109和1012).這兩種效應(yīng)在其亞3 nm PIN 結(jié)場(chǎng)效應(yīng)晶體管中也同樣存在,并且其隧穿電流可以通過(guò)柵極電壓來(lái)顯著調(diào)控.此外,NiBr2單層在可見(jiàn)光區(qū)域具有較大的光電導(dǎo)率,Z 型PIN 結(jié)光電晶體管對(duì)藍(lán)光具有較強(qiáng)的響應(yīng);而A 型PIN 結(jié)光電晶體管對(duì)藍(lán)、綠光均具有較強(qiáng)的響應(yīng),該特性可用于自旋光電器件的研發(fā).結(jié)果表明,NiBr2單層是一種多功能材料,為自旋電子學(xué)和新型光電納米器件的開(kāi)發(fā)與應(yīng)用提供了重要依據(jù).

感謝河南師范大學(xué)高性能計(jì)算中心.