Nghiên cứu ảnh hưởng của pha tạp Sc đến cấu trúc và tính chất điện tử của GaN hai chiều bằng phương pháp DFT

Abstract

Nghiên cứu này khảo sát ảnh hưởng của việc pha tạp scandium đến cấu trúc và tính chất điện tử của gallium nitride hai chiều bằng phương pháp lý thuyết phiếm hàm mật độ đầu (DFT). Cấu trúc GaN đơn lớp dạng lục giác được xây dựng, trong đó quá trình pha tạp được thực hiện theo cơ chế thay thế bằng cách thay một nguyên tử Ga bằng Sc trong siêu ô 3×3, tương ứng với nồng độ pha tạp khoảng 11,1%. Các tính toán được thực hiện trong khuôn khổ xấp xỉ gradient tổng quát (GGA – PBE) sử dụng phần mềm Quantum Espresso. Kết quả cho thấy việc pha tạp Sc gây ra sự biến dạng cấu trúc đáng kể, đặc biệt là hiện tượng vênh theo phương vuông góc mặt phẳng, do sự khác biệt về bán kính ion giữa Sc và Ga. Điều này dẫn đến ứng suất mạng cục bộ và phá vỡ tính đối xứng của cấu trúc hai chiều. Phân tích cấu trúc điện tử cho thấy sự hiện diện của Sc làm thay đổi cấu trúc vùng năng lượng và mật độ trạng thái. Sự lai hóa giữa các quỹ đạo 3d của Sc và 2p của N tạo ra các trạng thái điện tử mới gần mức Fermi, dẫn đến sự điều chỉnh vùng cấm và phân bố lại mật độ điện tích. Các kết quả cho thấy pha tạp Sc là một phương pháp phù hợp để điều chỉnh vùng cấm và kiểm soát tính chất điện tử của GaN 2D. Nghiên cứu cung cấp cơ sở lý thuyết cho việc thiết kế các vật liệu bán dẫn họ III – nitride pha tạp kim loại chuyển tiếp, phục vụ cho các ứng dụng trong linh kiện nano và quang điện tử thế hệ mới.