О.Е. Глухова – д.ф.-м.н., профессор, зав. кафедрой радиотехники и электродинамики,

Саратовский национальный исследовательский государственный университет имени Н.Г. Чернышевского E-mail: glukhovaoe@info.sgu.ru

М.М. Слепченков – к.ф.-м.н., доцент,  кафедра радиотехники и электродинамики,

Саратовский национальный исследовательский государственный университет имени Н.Г. Чернышевского E-mail: slepchenkovm@mail.ru

Д.А. Колосов – аспирант, мл. науч. сотрудник, кафедра радиотехники и электродинамики, 

Саратовский национальный исследовательский государственный университет имени Н.Г. Чернышевского E-mail: demkol.93@mail.ru

Постановка проблемы. Создание вертикальных гетероструктур с настраиваемыми свойствами из различных сочетаний современных 2D-материалов является одной из перспективных задач функциональной электроники, ориентированной на улучшение параметров электронных наноустройств. В связи с появлением новых 2D-графеноподобных материалов возрастает потребность в проведении фундаментальных исследований их свойств. 

Цель. Провести теоретическое прогнозирование новых конфигураций вертикальных гетероструктур на основе полупроводниковых графеноподобных 2D-материалов: борофана, голубого фосфора и нитрида галлия. 

Результаты. Методами ab initio теоретически предсказано существование новых двухслойных и трехслойных гетероструктур со следующим сочетанием монослоев 2D-материалов: борофан/нитрид галлия, нитрид галлия/голубой фосфор и нитрид галлия/голубой фосфор/нитрид галлия. На основании результатов расчета энергий формирования гетероструктур доказано, что предложенные конфигурации являются энергетически устойчивыми, а значит, могут быть получены в реальном эксперименте. Выявлено, что предлагаемые типы вертикальных гетероструктур характеризуются наличием энергетической щели размером от 0,5 до 1,3 эВ, что свидетельствует об их ярко выраженных полупроводниковых свойствах.

Практическая значимость. Найденные закономерности управления размером энергетической щели гетероструктур за счет различного сочетания слоев и способа их взаимного расположения позволяют рекомендовать предложенные материалы для разработки нового поколения полупроводниковых наноустройств. 

Глухова О.Е., Слепченков М.М., Колосов Д.А. Новые вертикальные гетероструктуры на основе монослоев полупроводниковых 2D-материалов: атомное и электронное строение // Радиотехника. 2020. Т. 84. № 7(14).  С. 26−33. DOI: 10.18127/j00338486-202007(14)-04.

1. Novoselov K. S., Mishchenko A., Carvalho A., Castro Neto A. H. 2D materials and van der Waals heterostructures // Science. 2016. V. 353. P. aac9439. DOI: 10.1126/science.aac9439.
2. Castellanos-Gomez A. Why all the fuss about 2D semiconductors? // Nat. Photon. 2016. V. 10. P. 202−204.  DOI: 10.1038/nphoton.2016.53.
3. Liu M., Yin X., Ulin-Avila E. et al. A graphene-based broadband optical modulator // Nature. 2011. V. 474. P. 64−67.  DOI: 10.1038/nature10067. 
4. Furchi M., Urich A., Pospischil A. et al. Microcavity-integrated graphene photodetector // Nano Lett. 2012. V. 12. P. 2773−2777. DOI: 10.1021/nl204512x. 
5. Eda G., Maier S. A. Two-dimensional crystals: Managing light for optoelectronics // ACS Nano. 2013. V. 7. P. 5660−5665.  DOI: 10.1021/nn403159y.
6. Xia F., Wang H., Xiao D, Ramasubramaniam A. Two-dimensional material nanophotonics // Nat. Photon. 2014. V. 8. P. 899−907. DOI: 10.1038/nphoton.2014.271. 
7. Geim A. K., Grigorieva I. V. Van der Waals heterostructures // Nature. 2013. V. 499. P. 419−425. DOI: 10.1038/nature12385.
8. Duong D. L., Yun S. J., Lee Y. H. Van der Waals Layered Materials: Opportunities and Challenges // ACS Nano. 2017. V. 11.  P. 11803−11830. DOI: 10.1021/acsnano.7b07436.
9. Nguyen B. H., Nguyen V. H. Two-dimensional hexagonal semiconductors beyond graphene // Adv. Nat. Sci: Nanosci. Nanotechnol. 2016. V. 7. P. 043001. DOI: 10.1088/2043-6262/7/4/043001.
10. Manzeli S., Ovchinnikov D., Pasquier D. et al. 2D-transition metal dichalcogenides // Nat. Rev. Mater. 2017. V. 2. P. 17033.  DOI: 10.1038/natrevmats.2017.33.
11. Britnell, L., Gorbachev, R. V., Jalil R. et al. Field-effect tunneling transistor based on vertical graphene heterostructures // Science. 2012. V. 335. P. 947−950. DOI: 10.1126/science.1218461.
12. Chen C. C., Li Z., Shi L., Cronin S. B. Thermoelectric transport across graphene/hexagonal boron nitride/graphene heterostructures // Nano Res. 2015. V. 8. P. 666−672. DOI: 10.1007/s12274-014-0550-8.
13. Withers F., Del Pozo-Zamudio O., Mishchenko A. et al. Light-emitting diodes by band-structure engineering in van der Waals heterostructures // Nat. Mater. 2015. V. 14. P. 301−306. DOI: 10.1038/nmat4205.
14. Li X., Lin S., Lin X. et al. Graphene/h-BN/GaAs sandwich diode as solar cell and photodetector // Opt. Express. 2016. V. 24.  P. 134−145. DOI: 10.1364/OE.24.000134.
15. Wang J., Ma F., Sun M. Graphene, hexagonal boron nitride, and their heterostructures: properties and applications // RSC Adv. 2017. V. 7. P. 16801−16822. DOI: 10.1039/C7RA00260B.
16. Tian H., Chin M.L., Najmaei S. et al. Optoelectronic devices based on two-dimensional transition metal dichalcogenides // Nano Res. 2016. V. 9. P. 1543–1560. DOI: 10.1007/s12274-016-1034-9.
17. Wang Z., Lü T., Wang H. et al. New crystal structure prediction of fully hydrogenated borophene by first principles calculations // Sci. Rep. 2017. V. 7. P. 609. DOI: 10.1038/s41598-017-00667-x.
18. Golias E., Krivenkov M., Varykhalov A. et al. Band Renormalization of Blue Phosphorus on Au(111) // Nano Lett. 2018. V. 18.  P. 6672−6678. DOI: 10.1021/acs.nanolett.8b01305.
19. Giannozzi P., Baroni S., Bonini N. et al. QUANTUM ESPRESSO: a modular and open-source software project for quantum simulations of materials // J. Phys. Condens. Matter. 2009. V. 21. P. 395502. DOI: 10.1088/0953-8984/21/39/395502. 
20. Byrd R. H., Nocedal J. A tool for the analysis of Quasi-Newton methods with application to unconstrained minimization // SIAM J. Numer. Anal. 1989. V. 26. P. 727−739. DOI: 10.1137/0726042. 
21. Blochl P.E. Projector augmented-wave method // Phys. Rev. B. 1994. V. 50. P. 17953. DOI: 10.1103/PhysRevB.50.17953.
22. Perdew J. P., Burke K., Ernzerhof M. Generalized Gradient Approximation Made Simple // Phys. Rev. Lett. 1996. V. 77. P. 3865. DOI: 10.1103/PhysRevLett.77.3865. 
23. Monkhorst H. J., Pack J. D. Special points for Brillouin-zone integrations // Phys. Rev. B. 1976. V. 13. P. 5188.  DOI: 10.1103/PhysRevB.13.5188.