ЭНЕРГЕТИЧЕСКАЯ ЗОННАЯ ДИАГРАММА СЛОИСТЫХ ГЕТЕРОСИСТЕМ ГРАФЕН–ZnO, ГРАФЕН–ZnS: КВАНТОВО-МЕХАНИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ

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.

1. Young-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).

2. Tunable MoS2 bandgap in MoS2-graphene heterostructures / A. Ebnonnasir [et al.] // Appl. Phys. Lett. – 2014. – Vol. 105, № 3. – P. 031603(1–5).

3. Under pressure: Control of strain, phonons and bandgap opening in rippled graphene / U. Monteverde [et al.] // Carbon. – 2015. – Vol. 91. – P. 266–274.

4. Kaoru 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).

5. Ивановский, А. Л. Графеновые и графеноподобные материалы / а. л. Ивановский // Успехи химии. – 2012. – т. 81, № 7. – С. 571–605.

6. Baojun 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.

7. Microwave-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.

8. Pan, S. ZnS–Graphene nanocomposite: Synthesis, characterization and optical properties / S. Pan, X. Liu // J. Solid State Chem. – 2012 – Vol. 191. – P. 51–56.

9. The 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.

10. Integration 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.

11. Tu, 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.

12. Антонова, И. В. Вертикальные гетероструктуры на основе графена и других монослойных материалов / И. В. Антонова // Физика полупроводников. – 2016. – т. 50, № 1. – С. 67–82.

13. Kohn, W. Self-consistent equations including exchange and correlation effects / W. Kohn, L. J. Sham // Phys. Rev. – 1965. – Vol. 140, №. 4A. – P. A1133–A1138.

14. Арбузников, А. В. Гибридные обменно-корреляционные функционалы и потенциалы: развитие концепции / А. В. Арбузников // Журн. структур. химии. – 2007. – т. 48. – С. S5–S38.

15. Grimme, 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.

16. Van der Waals density functional for general geometries / M. Dion [et al.] // Phys. Rev. Lett. – 2004. – Vol. 92, № 92. – P. 246401-1-4.

17. Morita, A. Semiconducting black phosphorus / A. Morita // Appl. Phys. A. Solids and Surfaces. – 1986. – Vol. 39, № 4. – P. 227–242.

18. Blöchl, P. E. Projector augmented-wave method / P. E. Blöchl // Phys. Rev. – 1994. – Vol. 50, № 24. – P. 17953.

19. Kresse, G. From ultrasoft pseudopotentials to the projector augmented wave method / G. Kresse, J. Joubert // Phys. Rev. B. – 1999. – Vol. 59, № 3. – P. 1758–1775.

20. Brown, A. Refinement of the crystal structure of black phosphorus / A. Brown, S. Rundqvist // Acta Crystallogr. – 1965. – Vol. 19, № 4. – P. 684–685.

21. Hubbard, 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.

22. Two-dimensional gas of massless Dirac fermions in graphene / K. S. Novoselov [et. al.] // Nature. – 2005. – Vol. 438, № 7065. – P. 197–200.

23. Perdew, 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.