@article{Колобов2023-11-22,
author = {А. Колобов},
title = {Первопринципный дизайн функциональных халькогенидных двумерных полупроводников для устройств нано- и оптоэлектроники, включая гибкую электронику},
year = {2022},
publisher = {NP «NEICON»},
abstract = {Проект состоит их двух частей: первопринципных расчетов и экспериментального исследования функциональных двумерных халькогенидов и родственных материалов. Проведенные в 2022 году работы и основные полученные результаты перечислены ниже, начиная с результатов первопринципных расчетов.

1. Проведены расчеты зонной структуры и оптических свойств различный классов двумерных халькогенидных полупроводников и гетероструктур. Получены следующие результаты.

Для полупроводников по разрезу InSe-GaSe определены зонные структуры для различного пространственно распределения катионов: от сверхрешеток InSe/GaSe до случайного. Показано, что при упорядоченном распределении катионов ширина запрещенноой зоны оказывается минимальной (0,24 эВ), а при случайном их распределении - максимальной (0,39 эВ). Обнаружена существенная зависимость ширины запрещенной зоны от величины ван-дер-Ваальсовой щели, определяемой параметром с решетки кристалла: зона изменяется от 0,20 эВ при уменьшении параметра с на 5% до 0,61 эВ при его увеличении на 5%. В то же время, “горизонтальный” сдвиг слоев сопровождается весьма назначительным изменением запрещенной зоны (0,06 эВ). Изменение порядка упаковки слоев (чередование фаз ε- и γ-) приводит к смещению запрещенной зоны из точки Гамма в точку Z зоны Бриллюэна, материал при этом остается прямозонным.

Для сверхтонких слоев CdTe показано, что запрещенная зона мало меняется при толщинах до двух монослоев (в структуре сфалерита) и резко возрастает (более, чем на 1 эВ) при переходе к монослою. Для инвертированной структуры с последовательностью атомных плоскостей Te-Cd-Cd-Te, аналогичной структуре ковалентных блоков в ван-дер-Ваальсовых халькогенидах (атомы халькогена образуют внешние атомные плоскости блоков, которые удерживаются между собой за счет слабых ковалентных связей) ширина запрещенной зоны также уменьшается с толщиной, но этот процесс гораздо “медленнее”: спад ширины запрещенной зоны наблюдается для толщин от одного монослоя до 4-5 монослоев. Показано, что растягивающие напряжения сдвигают энергетику слоев в пользу инвертируемых, в то время, как плоскостное сжатие стабилизирует фазу сфалерита. Определены парциальные плотности состояний для различных толщин в фазе сфалерита и инвертированноой. Продемонтрировано, что би-слой изоэлектронного HgTe (так же, как и CdTe) имеет минимальную энергию в случае инвертированной структуры. Полученные результаты демонстрируют возможность создания ван-дер-Ваальсовых кристаллов CdTe и HgTe, и геретоструктур на их основе. Различия в парциальной плотности состояний CdTe и HgTe позвволяет предположить формирование топологических состояний на границе раздела CdTe/HgTe

Для тонких слоев топологического изолятора Sb2Te3 показано, что конус Дирака формируется, начиная с некоторого количества монослоев (quintuple layers). При меньших толщинах материал является тривиальным изолятором. Для гетероструктур ДПМ/Sb2Te3/ДПМ (ДПМ=дихалькогенид переходных металлов) показано, что топологические свойства Sb2Te3 сохраняются при нанесении на его поверхность монолоя MoS2 и/или MoSe2. При использовании монослоя MoTe2, конус Дирака формируется ниже уровня Ферми в области энергий, в которой много других (тривиальных) состояний. Во всех случаях, конус Дирака формируется за счет р-состояний атомов сурьмы и теллура, находящихся у поверхности (границы раздела), атомы, находящиеся в глубине слоя, в формировании конуса Дирака не участвуют. Интересно, что атомы халькогена их поверхностного слоя ПМ также не вносят вклада в формирование конуса Дирака. Для практического использования в качестве защитного слоя рекомендованы монослои MoS2 и/или MoSe2

2. Изучено влияние упругих напряжений на атомную и электронную структуру 2D халькогенидов.

Показано, что плоскостное растяжение би-слоя CdTe способствует формированию инвертированной фазы со структурой, аналогичной структуре ковалентных блоков в ван-дер-Ваальсоовых халькогенидах. Сжатие, наоборот, стабилизирует фазу сфалерита.

В исследованиях одноосной деформации тонких пленок висмута показан переход в полупроводниковое состояние при относительной деформации сжатия кристалла вдоль тригональной оси в области 2 % и последующий переход полупроводник-полуметалл при деформации в окрестности 4-5 %.

Показано, что, вопреки интуиции, одноосное сжатие слоистого GaSe (и родственных материалов), не приводит к схлопыванию ван-дер-Ваальсовой щели с образование 3D фазы. Вместо этого, при давлении порядка 12 ГПа наблюдается 2D-1D структурный переход с образованиеем одномерных цепочек, ориентированных перпендикулярно (ранее существовавшей) щели ван-дер Ваальса. Этот переход сопровождается существенным увеличением ширины запрещенной зоны. Результат демонстрирует определяющую роль антисвязывающих состояний электронов халькогена на формирование щели. Фаза высокого давления оказалась оптически сильно анизотропной. По результатам исследований отправлена и принята к печати статья в Physica Status Solidi - Rapid Research Letters (Q1).

3. Исследован начальный этап кристаллизации двумерного Sb2Te3. Показано, что первоначально материал кристаллизуется в простую кубическую решетку, узлы которой случайным образом заняты атомами сурьмы и теллура. Близость такой структуры к аморфной (отсутствие химического упорядочения) является ключом к пониманию механизма сверхбыстрой кристаллизации Sb2Te3, что крайне важно для разработки ячеек памяти. В дальнейшем, имеет место химическое упорядочение в решетку типа поваренной соли. Вычислительные результаты подтверждены экспериментом с применением просвечивающей электронной микроскопии в комбинации с рентгеноспектральным микроанализом.

В экспериментальной части работы разработана технология синтеза образцов InSe и GaSe и исследованы их состав, структура и оптические свойства. Приготовлены (методами термического испарения в вакууме и магнетронного распыления) и исследованы методом комбинационного рассеяния тонкие пленки InSe, GsSe, GeTe и Sb2Te3.

1. С применением поляризованного синхротронного излучения и спектроскопии XANES проведено сравнение структуры 3D аморфной и 2D кристаллической пленок MoS2. Дополнительное использование первопринципных расчетов позволило выявить в XANES-спектрах характерный пик, возникающий вследствие ван-дер-Ваальсовых связей. По материалам этой работы опубликована статья в Applied Physics Letters (Q1 по SJR, IF=3,971).

2. Исследован отклик фазопеременного Ge2Sb2Te5 (сплав по линии квазибинарного разреза GeTe - Sb2Te3) на воздействие фемтосекундных лазерных импульсов. Показано, что при облучении фемтосукундными импульсами на поверхности самоорганизованно сферические и линейные структуры (в зависимости от интенсивности и количества импульсов). Объяснение полученных результатов предложено в рамках неустойчивости Плато-Рэлея и эффекта Марангони.

Таким образом, все запланированные на первый год проекта работы успешно выполнены.},
URL = {https://rep.herzen.spb.ru/publication/10613},
}