научная статья по теме ЭЛЕКТРОННОЕ СТРОЕНИЕ КОМПОЗИТНЫХ СЕГМЕНТИРОВАННЫХ НАНОТРУБОК SIC/BN Физика

Текст научной статьи на тему «ЭЛЕКТРОННОЕ СТРОЕНИЕ КОМПОЗИТНЫХ СЕГМЕНТИРОВАННЫХ НАНОТРУБОК SIC/BN»

Письма в ЖЭТФ, том 89, вып. 11, с.660-664

© 2009 г. 10 июня

Электронное строение композитных сегментированных нанотрубок

вю/вк

А. С. Романов1^, А. А. Лисенко, П. М. Силенко, П. Н. Дьячков

Московский энергетический институт, 111250 Москва, Россия Институт проблем материаловедения им. И.И. Францевича НАН Украины, 03142 Киев, Украина Институт общей и неорганической химии им. Г. С. Курнакова РАН, 119991 Москва, Россия

Поступила в редакцию 16 февраля 2009 г.

После переработки 27 апреля 2009 г.

С помощью метода линеаризованных присоединенных цилиндрических волн рассчитана электронная структура сегментированных нанотрубок, составленных из чередующихся слоев нанотрубок ВХ и БЮ (5,5) и (9,0) конфигурации кресло и зигзаг и различающихся ориентацией химических связей в сегментах, а также природой связей (БьИ и В-С или ЯьВ и N-0) на границах участков ВХ и БЮ. Расчеты проведены с использованием функционала локальной плотности и маффинтин приближения для электронного потенциала. Установлено, что в зависимости от связей на границах сегментов нанотрубки ВХ/ЯК" (5,5) являются полупроводниками с шириной запрещенной зоны Ев от 1 до 3 эВ, а нанотрубки ВХ/ЯК" (9,0) обладают металлическим, полуметаллическим или полупроводниковым (Ев ~ 1 эВ) типом зонной структуры.

РАСБ: 71.20.-b

Обнаружение углеродных нанотрубок (НТ) вызвало огромное число исследований их характеристик и создание на НТ электронных устройств: нанотран-зисторов, нанодиодов, наносветодиодов, электромеханических нанопреобразователей, а также дисплеев, сенсоров и т.д. [1-3]. Успехи углеродного материаловедения вызвали интерес к неуглеродным НТ. С помощью квантовомеханических расчетов методами сильной связи, псевдопотенциала и ЛПЦВ были предсказаны стабильность и основные электронные свойства НТ на основе гексагонального нитрида бора (1Ш) [4-7]. Такие НТ оказались материалами, ширина запрещенной зоны Еа которых составляет 4.55.5 эВ и почти не зависит от диаметра и хиральности НТ. В этом существенное отличие бор-азотных НТ от углеродных; последние бывают металлическими или полупроводниковыми в зависимости от их строения. Причина столь резкого различия электронных состояний в области уровня Ферми у бор-азотных и углеродных НТ - в наличии антисимметричной компоненты электронного потенциала у частично ионной химической связи 1Ш [4]. Слабая зависимость ширины запрещенной зоны от строения бор-азотных НТ и большие величины оптической щели делают применение бор-азотных НТ в некоторых случаях более предпочтительным по сравнению с углеродными. Бла-

1'е-таП: mad-scientisteinbox.ru

годаря большой ширине запрещенной зоны, НТ 1Ш можно использовать в качестве изолирующей оболочки нанокабелей с проводящей сердцевиной [8], а молекулярные транзисторы на таких НТ будут работать при более высоких температурах. Наличие дефектов упаковки или изоэлектронных примесей может существенно изменить физические свойства НТ В]М*, ограничивая, а в некоторых случаях расширяя, возможности их применения [9-11].

В последние годы значительные усилия исследователей направлены на получение НТ из карбида кремния (БЮ). И хотя имеются противоречивые сведения о возможности их получения, в ряде работ [1214] сообщается о получении НТ БЮ реакцией углеродных НТ с кремнием, который получали разложением БЮ, а также осаждением БЮ на наноструктуры из ZnO с последующим их вытравливанием [15], что стимулировало интерес к теоретическим исследованиям таких НТ [16-20]. Интерес к НТ БЮ связан также с тем, что объемный БЮ находит широкое применение для светодиодов, а также в силовой и СВЧ-электронике, а НТ из БЮ могут использоваться для миниатюризации электронных приборов. Расчеты показывают, что, в зависимости от диаметра и хиральности, НТ БЮ могут быть полупроводниками с прямой или непрямой щелью до ~ 1 эВ или металлами; значительно меньшие величины щелей у НТ БЮ по сравнению с ВМ или даже отсутствие щелей обу-

словлены более ковалентным характером связей БьС по сравнению с В-]М*.

НТ 1Ш и БЮ являются материалами с полярной химической связью, потому они могут обладать пьезоэлектрическими свойствами и нелинейным оптическим откликом [21]. Еще одна возможность -построение композитных НТ из сегментов карбида кремния и нитрида бора. Цель данной работы -рассчитать строение, стабильность и электронную структуру композитных НТ, составленных из сегментов 1Ш и БЮ. Такие НТ представляют собой пример одномерной сверхрешетки, а пленарные сверхрешетки из чередующихся слоев п- и р-типа используются в полупроводниковой промышленности для создания фотонных и электронных элементов. Уже получены гетеропереходы из углеродных НТ и кремниевых нанопроводов, а также одномерные сверхрешетки в виде модулированных нанопроводов п-Б1/р-Б1, ваР/ваЛв, которые оцениваются как перспективные материалы для создания эмиттеров, логических элементов, лазеров и одномерных электронных волноводов [22,23]. Сверхрешетки из сегментов 1Ш и БЮ интересны еще и тем, что служат моделью нано-контактов между НТ.

Для оценки структуры и стабильности комбинированных НТ мы провели кластерные расчеты НТ (4,4) ВМ-БЮ-ВИ и БЮ-ВИ-БЮ по программе Сашз1ап-98 с использованием базиса БТО-ЗС-ВЗЬУР с оптимизацией геометрии [24]. Расчеты показали, что комбинированные трубки имеют волнистый (гофрированный) вид с выпуклостями на кольцах БЮ и вогнутостями на кольцах ВМ (рис.1). Энергии сцепления Ес НТ, которые определяли как разности полных энергий НТ и суммарных энергий свободных ячеек ВМ и БЮ, указывают на стабильность комбинированных НТ. Значения Ес для девяностошестиатомных кластеров ВИ, В]М-БЮ-В]М, БЮ-ВИ-БЮ и БЮ, отнесенные к одной паре атомов, равны 9.53, 8.95, 8.60 и 8.16 эВ. Наибольшую энергию Ес имеет НТ В]М*, наименьшую - НТ БЮ, а комбинированным НТ отвечают промежуточные значения Ес, то есть бор-азотная НТ наиболее стабильна, карбидокремни-евая наименее стабильна, а введение боронитридных колец в НТ БЮ повышает величину Ес и, таким образом, стабилизирует НТ.

Обратимся теперь к электронной структуре композитных НТ ВМ/БЮ, которые могут обладать различной структурой в зависимости от диаметра, хи-ральности, длины участков БЮ и В]М*, а также химических связей на границах сегментов. Расчеты хиральных НТ затруднены большими числами атомов в ячейках, поэтому здесь мы рассчитали нехи-

Si

C

SiC bond

N

BN bond

Si

SiB bond

C

BN N bond

CN

bond SiC bond

SiC SiB bond

CN bond

SiC

Рис.1. Расчетный вид комбинированных трубок

яю/ви

ральные НТ двух типов: (5,5) кресло и (9,0) зигзаг. Различаются НТ числами слоев ВМ и БЮ, типом (БьМ и В-С или БьВ и N-0) химических связей на границах сегментов и их ориентацией относительно оси НТ (рис.2 и 3). Расчеты проведены с помощью метода ЛПЦВ [25-28], который представляет собой распространение на цилиндрические системы метода линейных присоединенных плоских волн. В методе ЛПЦВ для электронного потенциала НТ принимается маффинтин приближение: потенциал считается сферически симметричным в области атомов и постоянным в межатомном пространстве вплоть до двух непроницаемых цилиндрических барьеров - внутреннего и внешнего, окружающих атомы НТ. Электронный спектр системы определяется свободным движением электронов в межатомном пространстве и рассеянием электронов на атомных центрах, а в композитных НТ - еще и рассеянием электронов на границе между сегментами.

Результаты расчетов полных плотностей электронных состояний и зонной структуры НТ (5,5) свидетельствуют о том, что при наличии связей В-С

SiB bond

B

N

BN bond

CN bond

SiB bond

B

BN

sJL °o

N

oO <D

<P ООО

BN bond

Si

SiC

C

SiB bond

BN

« ,

BN ond

N

0 О

1 -о

Og

о о

bond

-О ¿>

о°о°

о о

» о

«р о°оО

SiB bond

BN

3~Д / №

SiC

9 Ь

—ЧУ « о

°.*о

-5

bond

SiC

• о • о

Si

• Q, • °

C

о • о

5

0 10 20 30 40 DOS

3

-3

0 20 40

-2

(c)

CN bond

SiC

k

Рис.2. Строение элементарных ячеек, зонные структуры и плотности электронных состояний одной металлической (а) и двух полупроводниковых (Ь) и (с) НТ ВЫ/БЮ. (За начало отсчета энергии выбран уровень Ферми; плотности состояний построены с гауссовым уширением с полушириной 0.15 эВ)

5

0

2

0

0

и БьМ композитная НТ типа кресло представляет собой полупроводник с шириной запрещенной зоны Ед= 3.1 эВ (рис.Зс). (Заметим, что по данным метода ЛПЦВ в идеальной НТ (5,5) ВИ Еа=3.5 эВ, а в идеальной НТ (5,5) БЮ нет щели между валентной зоной и зоной проводимости). Качественно эти результаты не очень чувствительны к числу слоев в сегментах; полупроводниковыми с Ед от 2.8 до 3.2 эВ оказались также композитные НТ (5,5), содержащие 5, 4 и даже 2 слоя в чередующихся сегментах. Если сшивка

сегментов осуществляется с участием связей БьВ и N-0, Еа=1.1эВ (рис.2с).

В НТ типа зигзаг (9,0) плотность состояний в области уровня Ферми более чувствительна к строению контакта между НТ ВМ и БЮ. Здесь возможно образование НТ с металлическим, полуметаллическим и полупроводниковым типом зонной структуры. В случае параллельной оси НТ ориентации связей БьВ и С-М на границе между сегментами, запрещенная зона отсутствует, и сегментированная НТ облада-

SiN bond

N

B

BN bond

CB bond

Si

SiN bond

>

0 20 40

Ы 1

-1

BN

SiN bond

N B

BN bond

CB bond

Si

SiC

SiN bond

1

BN/i

bond

N

BN

B

SiN bond

0 20 40 DOS

k

SiC bond

SiC

Si

C

-3

BN

CB bond

SiC

20 40

(c)

Рис.3. Строение элементарных ячеек, зонные структуры и плотности электронных состояний одной полуметаллической и металлической и полупроводниковой НТ ВЫ/БЮ типа зигзаг (а), (Ь) и кресло (с)

ет металлическим типом зонной структуры (рис.2а). Если же эти связи между сегментами заменить на Бь N и В-С, то получается полуметаллическая НТ с нулевой щелью на краю зоны Бриллюэна (рис.За). При угловой ориентации пограничных связей между сегментами возможно образование полупроводниковой или металлической композитной НТ, если на границе соответственно связи С-М и БьВ (рис.2Ь) или связи С-В и БШ (рис.ЗЬ).

Итак, НТ ВР^Г/БЮ стабильны, они обладают полупроводниковым, полуметаллическим или металлическим характером зонной структуры в зависимости

от типа и ориентации связей

Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.

Показать целиком