Structural and electronic properties of the Graphene/Silicene heterostructure

Abstract

В последнее время очень популярным стало расширение областей применения двумерных (2D) материалов за счет создания ван-дер-ваальсовых гетероструктур на основе графена. Обычно графен получают осаждением графена на кремниевую подложку, которое облегчает создание гетероструктуры графен/силицен. Создание таких гетероструктур представляет огромные перспективы развития для широкого спектра приложений, связанных прежде всего с пересмотром физических принципов построения и работы приборных структур с использованием графена в сочетании с другими материалами. Таким материалом может быть силицен. Между атомными плоскостями графена и силицена действуют слабые ван-дер-ваальсовские силы, что позволяет предположить, что силицен и графен могут использоваться в качестве идеальных подложек друг для друга с сохранением их внутренней электронной структуры. В этой работе проведено ab initio исследование структурных и электронных свойств вертикальной гетероструктуры графен/силицен в зависимости от расстояния между атомными плоскостями графена и силицена. Установлено, что при изменении расстояния между атомными плоскостями, содержащими атомы углерода и силицена, кристаллическая структура системы графен/силицен существенно не меняется. Запрещенные зоны, которые открываются в точках Дирака силицена и графена, сильно зависят от внешних условий, таких как электрические поля и межслойное расстояние. Это указывает на то, что гетероструктура графен/силицен может быть использована для производства высокопроизводительных полевых транзисторов и для создания электродов для литий-ионных батарей высокой емкости. Recently, it has become very popular to expand the scope of two-dimensional (2D) materials by creating van der Waals heterostructures. Graphene is usually obtained by deposition of graphene on a silicon substrate, which facilitates the creation of a Graphene/Silicene heterostructure. The synthesis of such heterostructures presents great development prospects for a wide range of applications, primarily related to the revision of the physical principles of construction and operation of device structures using graphene in combination with other materials. Such material can be silicene. Weak van der Waals forces act between the atomic planes of graphene and silicene, which suggests that silicene and graphene can be used as ideal substrates for each other while maintaining their internal electronic structure. In this work, an ab initio study of the structural and electronic properties of a vertical Graphene/Silicene heterostructure was carried out, depending on the distance between the atomic planes of graphene and silicene. It has been established that with a change in the distance between the atomic planes containing carbon and silicene atoms, the crystal structure of the Graphene/Silicene system does not change significantly. The band gaps that open up at the Dirac points of silicene and graphene are highly dependent on external conditions such as electric fields and interlayer spacing. This indicates that the Graphene/Silicene heterostructure can be used to produce high-performance field-effect transistors and to create electrodes for high-capacity lithium-ion batteries.