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GaN: From three- to two-dimensional single-layer crystal and its multilayer van der Waals solids

纤锌矿晶体结构 范德瓦尔斯力 材料科学 带隙 结晶学 密度泛函理论 凝聚态物理 半导体 从头算 堆积 光电子学 物理 化学 计算化学 分子 核磁共振 量子力学 冶金
作者
A. Onen,D. Kecik,Engin Durgun,S. Çiraci
出处
期刊:Physical review [American Physical Society]
卷期号:93 (8) 被引量:164
标识
DOI:10.1103/physrevb.93.085431
摘要

Three-dimensional (3D) GaN is a III-V compound semiconductor with potential optoelectronic applications. In this paper, starting from 3D GaN in wurtzite and zinc-blende structures, we investigated the mechanical, electronic, and optical properties of the 2D single-layer honeycomb structure of GaN ($g\ensuremath{-}\mathrm{GaN}$) and its bilayer, trilayer, and multilayer van der Waals solids using density-functional theory. Based on high-temperature ab initio molecular-dynamics calculations, we first showed that $g\ensuremath{-}\mathrm{GaN}$ can remain stable at high temperature. Then we performed a comparative study to reveal how the physical properties vary with dimensionality. While 3D GaN is a direct-band-gap semiconductor, $g\ensuremath{-}\mathrm{GaN}$ in two dimensions has a relatively wider indirect band gap. Moreover, 2D $g\ensuremath{-}\mathrm{GaN}$ displays a higher Poisson ratio and slightly less charge transfer from cation to anion. In two dimensions, the optical-absorption spectra of 3D crystalline phases are modified dramatically, and their absorption onset energy is blueshifted. We also showed that the physical properties predicted for freestanding $g\ensuremath{-}\mathrm{GaN}$ are preserved when $g\ensuremath{-}\mathrm{GaN}$ is grown on metallic as well as semiconducting substrates. In particular, 3D layered blue phosphorus, being nearly lattice-matched to $g\ensuremath{-}\mathrm{GaN}$, is found to be an excellent substrate for growing $g\ensuremath{-}\mathrm{GaN}$. Bilayer, trilayer, and van der Waals crystals can be constructed by a special stacking sequence of $g\ensuremath{-}\mathrm{GaN}$, and they can display electronic and optical properties that can be controlled by the number of $g\ensuremath{-}\mathrm{GaN}$ layers. In particular, their fundamental band gap decreases and changes from indirect to direct with an increasing number of $g\ensuremath{-}\mathrm{GaN}$ layers.

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