vestifmИзвестия Национальной академии наук Беларуси. Серия физико-математических наукProceedings of the National Academy of Sciences of Belarus. Physics and Mathematics Series1561-24302524-2415The Republican Unitary Enterprise Publishing House "Belaruskaya Navuka"vestifm-268Research ArticleФИЗИКАPHYSICSЭНЕРГЕТИЧЕСКАЯ ЗОННАЯ ДИАГРАММА СЛОИСТЫХ ГЕТЕРОСИСТЕМ ГРАФЕН–ZnO, ГРАФЕН–ZnS: КВАНТОВО-МЕХАНИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕBAND STRUCTURE OF THE LAYERED GRAPHENE–ZnO, GRAPHENE–ZnS HETEROSYSTEMS: QUANTUM-MECHANICAL SIMULATIONБарановаМ. С.BaranavaM. S.

аспирант, младший научный сотрудник научно-исследовательской лаборатории 4.4 научно-исследовательской части БГУИР

Postgraduate, Junior Researcher of SRL 4.4 SRP BSUIR

baranova@bsuir.byСкачковаВ. А.SkachkovaV. A.

аспирант, млад-ший научный сотрудник научно-исследовательской ла-боратории 4.4 научно-исследовательской части БГУИР

Postgraduate, Junior Researcher of SRL 4.4 SRP BSUIR

skachkova@bsuir.byСтемпицкийВ. Р.StempitskyV. R.

кандидат технических наук, доцент кафедры микро- и наноэлектроники БГУИР, заведующий научно-исследовательской лабораторией 4.4 научно-исследовательской части БГУИР

Ph. D. (Engineering), Assistant Professor of the Department of Micro- and Nanoelectronics, Head of SRL 4.4 SRP BSUIR

vstem@bsuir.byГвоздовскийД. Ч.HvazdouskyD. C.

магистрант

Undergraduate

mitya.gvozdovskiy@mail.ruБелорусский государственный университет информатики и радиоэлектроникиBelarusian State University of Informatics and Radioelectronics2017091020170399107Copyright © Баранова М.С., Скачкова В.А., Стемпицкий В.Р., Гвоздовский Д.Ч., 20172017Баранова М.С., Скачкова В.А., Стемпицкий В.Р., Гвоздовский Д.Ч.Baranava M.S., Skachkova V.A., Stempitsky V.R., Hvazdousky D.C.Данная работа распространяется под лицензией Creative Commons Attribution 4.0.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://vestifm.belnauka.by/jour/article/view/268

Исследована возможность придания графеновым пленкам свойств полупроводника в структурах, состоящих из нескольких слоев (гетероструктуры): оксид цинка и графен (ZnO/графен), сульфид цинка и графен (ZnS/графен). Для изучения электронных свойств гетероструктур проведено квантово-механическое моделирование в программном пакете VASP. Посредством моделирования структурных свойств типичного представителя слоистых материалов (черного фосфора) определена эффективность использования поправок к DFT, учитывающих силы Вандер-Ваальса и реализованных в программе VASP и, таким образом, обоснован выбор функционала электронной плотности для гетероструктур. Определены межслоевые расстояния для изучаемых систем с подходящим функционалом электронной плотности (DFT-D2). Для черного фосфора это расстояние равно 3,1 Å, а для гетероструктур – 3,16 Å (ZnO/графен) и 3,45 Å (ZnS/графен). Проведено моделирование, конечной целью которого являлся расчет энергетических зонных диаграмм. Исследовано влияние подложки из цинксодержащих материалов на энергетическую зонную структуру графена. Установлено, что взаимодействие монослоя оксида цинка и графена в гетероструктуре ZnO/графен не приводит к возникновению энергетического зазора в зонной структуре графена. Запрещенная зона графена в структуре ZnS/графен составила 0,35 эВ. Поскольку применяемые для проведения моделирования тФП-методы недооценивают ширину запрещенной зоны, ее экспериментальное значение для исследуемых структур может оказаться выше расчетного.

 

 

 

 

Graphene has semiconductor properties in several layers structures (heterostructure). Zinc oxide/graphene (ZnO/graphene) and zinc sulfide/graphene (ZnS/graphene) have been studied by quantum-mechanical simulation using the VASP software. The structural properties of a typical layered material (black phosphorus) have been simulated by different electron density functionals. Thus, the DFT electron density functional implemented in the VASP software was chosen to take into account the Van der Waals forces. Interlayer distances have been determined to study systems by a suitable electron density functional (DFT-D2). The distance is 3.1 Å for black phosphorus, 3.16 Å (ZnO/graphene) and 3.45 Å (ZnS/graphene) for heterostructures. Energy band structures have been calculated. Thus, the influence of a zinc-containing material on the graphene energy band structure has been registered. A band gap has been observed in ZnS/graphene (0.35 eV), but it is absent in ZnO/graphene. Taking into account that the DFT method underestimates the band gap width, this value may be larger in experimental works.

 

 

 

 

теория функционала плотностисилы Вандер-Ваальсагетероструктураграфеноксид цинкасульфид цинкаdensity functional theoryVan der Waals forceheterostructuregraphemezinc oxidezinc sulfideReferencesYoung-Woo Son. Energy gaps in graphene nanoribbons / Young-Woo Son, M. L. Cohen, S. G. Louie // Phis. Rev. Lett. – 2006. – Vol. 97, №. 21. – P. 216803(1–4).Young-Woo Son, Cohen M. L., Louie S. G. Energy gaps in graphene nanoribbons. Phisical Review Letters, 2006, vol. 97, no. 21, pp. 216803(1–4). Doi: 10.1103/PhysRevLett.97.216803Tunable MoS2 bandgap in MoS2-graphene heterostructures / A. Ebnonnasir [et al.] // Appl. Phys. Lett. – 2014. – Vol. 105, № 3. – P. 031603(1–5).Ebnonnasir A., Narayanan B., S. Kodambaka, Ciobanu C. V. Tunable MoS2 bandgap in MoS2-graphene heterostructures. Applied Physics Letters, 2014, vol. 105, no. 3, pp. 031603(1–5). Doi: 10.1063/1.4891430Under pressure: Control of strain, phonons and bandgap opening in rippled graphene / U. Monteverde [et al.] // Carbon. – 2015. – Vol. 91. – P. 266–274.Monteverde U., Pal J., Migliorato M. A., Missous M., Bangert U., Zan R., Kashtiban R., Powell D. Under pressure: Control of strain, phonons and bandgap opening in rippled grapheme. Carbon, 2015, vol. 91, pp. 266–274. Doi: 10.1016/j. carbon.2015.04.044Kaoru Kanayama. Gap state analysis in electric-field-induced band gap for bilayer graphene / Kaoru Kanayama, Kosuke Nagashio // Scientific Reports. – 2015. – Vol. 5, № 1. – P. 15789 (1–8).Kaoru Kanayama, Kosuke Nagashio. Gap state analysis in electric-field-induced band gap for bilayer grapheme. Scientific Reports, 2015, vol. 5, no. 1, pp. 15789 (1–8). Doi: 10.1038/srep15789Ивановский, А. Л. Графеновые и графеноподобные материалы / а. л. Ивановский // Успехи химии. – 2012. – т. 81, № 7. – С. 571–605.Ivanovskii A. L. Graphene-based and graphene-like materials. Russian Chemical Reviews, 2012, vol. 81, no. 7, pp. 571–605. Doi: 10.1070/rc2012v081n07abeh004302Baojun Li. ZnO@graphene composite with enhanced performance for the removal of dye from water / Baojun Li, Huaqiang Cao // J. Mater. Chem. – 2011 – Vol. 21, № 10. – P. 3346–3349.Baojun Li, Huaqiang Cao. ZnO@graphene composite with enhanced performance for the removal of dye from water. Journal of Materials Chemistry, 2011, vol. 21, no. 10, pp. 3346–3349. Doi: 10.1039/c0jm03253kMicrowave-assisted synthesis of ZnO-graphene composite for photocatalytic reduction of Cr(VI) / Xinjuan Liu [et al.] // Catal. Sci. Technol. – 2011 – Vol. 1, № 7. – P. 1189–1193.Xinjuan Liu, Likun Pan, Tian Lv, Ting Lu, Guang Zhu, Zhuo Sun, Changqing Sun. Microwave-assisted synthesis of ZnO–graphene composite for photocatalytic reduction of Cr(VI). Catalysis Science & Technology, 2011, vol. 1, no. 7, pp. 1189–1193. Doi: 10.1039/c1cy00109dPan, S. ZnS–Graphene nanocomposite: Synthesis, characterization and optical properties / S. Pan, X. Liu // J. Solid State Chem. – 2012 – Vol. 191. – P. 51–56.Pan S., Liu X. ZnS–Graphene nanocomposite: Synthesis, characterization and optical properties. Journal of Solid State Chemistry, 2012, vol. 191, pp. 51–56. Doi: 10.1016/j.jssc.2012.02.048The structure control of ZnS/graphene composites and their excellent properties for lithium-ion batteries / M. Mao [et al.] // J. Mater. Chem. A. – 2015. – Vol. 3. – P. 13384–13389.Mao M., Jiang L., Wu L., Zhang M., Wang T. The structure control of ZnS/graphene composites and their excellent properties for lithium-ion batteries. Journal of Materials Chemistry A, 2015, vol. 3, pp. 13384–13389. Doi: 10.1039/c5ta01501dIntegration of graphene/ZnS nanowire film hybrid based photodetector arrays for high-performance image sensors / Congjun Wu [et al.] // 2D Materials. – 2017. – Vol. 4, № 2. – P. 025113.Congjun Wu, Fei Wang, Caoyuan Cai, Zhihao Xu, Yang Ma, Fan Huang, Feixiang Jia, Min Wang. Integration of graphene/ZnS nanowire film hybrid based photodetector arrays for high-performance image sensors. 2D Materials, 2017, vol. 4, no. 2, pp. 025113. Doi: 10.1088/2053-1583/aa735fTu, Z. C. First-principles study on physical properties of a single ZnO monolayer with graphene-like structure / Z. C. Tu // J. Comput. Theor. Nanosci. – 2010 – Vol. 7, № 6. – P. 1182–1186.Tu Z. C. First-principles study on physical properties of a single ZnO monolayer with graphene-like structure. Jour nal of Computational and Theoretical Nanoscience, 2010, vol. 7, no. 6, pp. 1182–1186. Doi: 10.1166/jctn.2010.1470Антонова, И. В. Вертикальные гетероструктуры на основе графена и других монослойных материалов / И. В. Антонова // Физика полупроводников. – 2016. – т. 50, № 1. – С. 67–82.Antonova I. V. Vertical heterostructures based on graphene and other 2D materials. Semiconductors, 2016, vol. 50, no. 1, pp. 66–82. Doi: 0.1134/s106378261601005xKohn, W. Self-consistent equations including exchange and correlation effects / W. Kohn, L. J. Sham // Phys. Rev. – 1965. – Vol. 140, №. 4A. – P. A1133–A1138.Kohn W., Sham L. J. Self-consistent equations including exchange and correlation effects. Physical Review, 1965, vol. 140, no. 4A, pp. A1133–A1138. Doi: 10.1103/physrev.140.a1133Арбузников, А. В. Гибридные обменно-корреляционные функционалы и потенциалы: развитие концепции / А. В. Арбузников // Журн. структур. химии. – 2007. – т. 48. – С. S5–S38.Arbuznikov A. V. Hybrid exchange correlation functionals and potentials: Concept elaboration. Journal of Structural Chemistry, 2007, vol. 48, pp. S1–S31. Doi: 10.1007/s10947-007-0147-0Grimme, S. Semiempirical GGA-type density functional constructed with a long-range dispersion correction / S. Grimme // J. Comp. Chem. – 2006. – Vol. 27, № 15. – P. 1787–1799.Grimme S. Semiempirical GGA-type density functional constructed with a long-range dispersion correction. Journal of Computational Chemistry, 2006, vol. 27, no. 15, pp. 1787–1799. Doi: 10.1002/jcc.20495Van der Waals density functional for general geometries / M. Dion [et al.] // Phys. Rev. Lett. – 2004. – Vol. 92, № 92. – P. 246401-1-4.Dion M., Rydberg H., Schroder E., Langreth D. C., Lundqvist B. I. Van der Waals density functional for general geometries. Physical Review Letters, 2004, vol. 92, no. 24, pp. 246401. Doi: 10.1103/physrevlett.92.246401Morita, A. Semiconducting black phosphorus / A. Morita // Appl. Phys. A. Solids and Surfaces. – 1986. – Vol. 39, № 4. – P. 227–242.Morita A. Semiconducting black phosphorus. Applied Physics A. Solids and Surfaces, 1986, vol. 39, no. 4, pp. 227–242. Doi: 10.1007/BF00617267Blöchl, P. E. Projector augmented-wave method / P. E. Blöchl // Phys. Rev. – 1994. – Vol. 50, № 24. – P. 17953.Blöchl P. E. Projector augmented-wave method. Physical Review B, 1994, vol. 50, no. 24, pp. 17953–17979. Doi: 10.1103/physrevb.50.17953Kresse, G. From ultrasoft pseudopotentials to the projector augmented wave method / G. Kresse, J. Joubert // Phys. Rev. B. – 1999. – Vol. 59, № 3. – P. 1758–1775.Kresse G., Joubert J. From ultrasoft pseudopotentials to the projector augmented wave method. Physical Review B, 1999, vol. 59, no. 3, pp. 1758–1775. Doi: 10.1103/physrevb.59.1758Brown, A. Refinement of the crystal structure of black phosphorus / A. Brown, S. Rundqvist // Acta Crystallogr. – 1965. – Vol. 19, № 4. – P. 684–685.Brown A., Rundqvist S. Refinement of the crystal structure of black phosphorus. Acta Crystallographica, 1965, vol. 19, no. 4, pp. 684–685. Doi: 10.1107/s0365110x65004140Hubbard, J. Electron correlations in narrow energy bands / J. Hubbard // Proc. R. Soc. London: Mathematical, Physical and Engineering Sciences. – 1963. – Vol. 276, № 1365. – P. 238–257.Hubbard J. Electron correlations in narrow energy bands. Proceedings of the Royal Society A: Mathematical, Physical and Engineering Sciences. 1963, vol. 276, no. 1365, pp. 238–257. Doi: 10.1098/rspa.1963.0204Two-dimensional gas of massless Dirac fermions in graphene / K. S. Novoselov [et. al.] // Nature. – 2005. – Vol. 438, № 7065. – P. 197–200.Novoselov K. S., Geim A. K., Morozov S. V., Jiang D., Katsnelson M. I., Grigorieva I. V., Dubonos S. V., Firsov A. A. Two-dimensional gas of massless Dirac fermions in grapheme. Nature, 2005, vol. 438, no. 7065, pp. 197–200. Doi: 10.1038/ nature04233Perdew, J. P. Density functional theory and the band gap problem / J. P. Perdew // Int. J. of Quantum Chem. – 1985. – Vol. 28, № S19. – P. 497–523.Perdew J. P. Density functional theory and the band gap problem. International Journal of Quantum Chemistry, 1985, vol. 28, no. S19, pp. 497–523. Doi: 10.1002/qua.560300314

The authors declare that there are no conflicts of interest present.