First-principle investigation of the electronic structure and optical properties of graphene/boron nitride lateral heterostructures

Résumé technique : Étude de premier principe de la structure électronique et des propriétés optiques des hétérostructures latérales graphène/nitrure de bore

Énoncé du problème
Les hétérostructures latérales (LHS) de graphène et de nitrure d'hexagonal de bore (hBN), spécifiquement celles composées de nanorubans en zigzag et armchair (AGBN), représentent une plateforme prometteuse pour les applications optoélectroniques telles que les diodes à effet tunnel résonant, les transistors à effet de champ et les photodétecteurs. Bien que la bande interdite fondamentale de ces systèmes soit connue pour osciller en fonction de la largeur du ruban de graphène ($N$), la littérature existante manque d'une compréhension exhaustive de la manière dont l'interface graphène/hBN influence les états électroniques proches de la bande interdite, les propriétés de blindage et les spectres d'absorption optique. Plus précisément, l'interaction entre la déformation de l'interface, la redistribution de charge et la modification résultante des règles de sélection par rapport aux nanorubans isolés reste insuffisamment explorée.

Méthodologie
Les auteurs emploient une approche multi-échelle combinant des calculs ab initio et une modélisation par liaison forte (TB) :

• Structure électronique : La théorie de la fonctionnelle de la densité (DFT) standard et l'approximation $G_0W_0$ sont utilisées pour calculer les corrections de quasi-particules et les bandes interdites. La DFT dépendante du temps (TD-DFT) au sein de l'approximation de la phase aléatoire (RPA), avec et sans effets de champ local (LFE), est utilisée pour calculer les spectres d'absorption optique.
• Modélisation : Un modèle d'échelle de liaison forte (tight-binding ladder model), développé à l'origine pour les nanorubans de graphène armchair isolés, est adapté pour inclure les perturbations d'interface (changements des énergies sur site pour les atomes de bord) afin de rationaliser les tendances observées.
• Configuration du système : L'étude se concentre sur les AGBN avec des largeurs de graphène variables ($N$) et des largeurs de hBN fixes ($L$), en tenant compte du désaccord de réseau par la relaxation structurelle. Les configurations $N/L$ paires et impaires sont toutes deux analysées pour tenir compte des symétries de miroir et de glissement.

Contributions clés et résultats

1. Redistribution de charge et effets d'interface :

   • L'analyse de la densité de déformation de Voronoi révèle qu'il n'y a aucun transfert de charge net entre les nanorubans de graphène et de hBN, confirmant les résultats précédents pour les interfaces zigzag et levant l'ambiguïté concernant les interfaces armchair.
   • Cependant, une redistribution de charge locale se produit aux bords du graphène. Les atomes de carbone adjacents à l'azote gagnent des électrons, tandis que ceux adjacents au bore en perdent, créant une polarisation au sein du ruban de graphène d'environ 0,16 électron.
   • La relaxation du réseau induit des ajustements mineurs de la longueur des liaisons ($\pm 0,7 \%$) mais ne modifie pas de manière significative les propriétés électroniques.

2. Structure électronique et classification des familles :

   • La classification de la bande interdite en trois familles basées sur $N \pmod 3$ (familles $0, +1, -1$) est vérifiée pour les AGBN.
   • Inversion de la hiérarchie de la bande interdite : Contrairement aux nanorubans de graphène isolés, la hiérarchie des familles est inversée dans les AGBN. Plus précisément, pour un $m$ donné, la famille $0$ présente une bande interdite plus large que la famille $+1$ dans l'hétérostructure, alors que l'ordre est inversé dans les rubans isolés.
   • Corrections de quasi-particules : Les corrections $G_0W_0$ agissent principalement comme un décalage rigide des états vides. L'amplitude de ces corrections suit une relation linéaire avec la largeur de la bande interdite DFT, variant selon la famille. La séquence des corrections ($a_{-1} > a_{+1} > a_0$) suggère que le blindage électronique est plus efficace dans la famille $0$.
   • Localisation des états : Les états proches de la bande interdite sont principalement composés d'orbitales $\pi$ de carbone confinées dans la région du graphène. Cependant, une hybridation avec les états $\pi$ du bore et de l'azote se produit, avec des inversions inattendues dans les bandes de valence et de conduction par rapport aux attentes naïves.
   • Rôle du hBN : La largeur du hBN ($L$) a un impact négligeable sur les états proches de la bande interdite une fois que $L \ge 6$, isolant efficacement les rubans de graphène. L'encastrement du hBN dans le graphène ouvre la bande interdite du hBN d'environ 600 meV en raison des perturbations de bord.

3. Propriétés optiques et règles de sélection :

   • Règles de sélection : L'interface brise la symétrie de miroir transversale des rubans isolés. En utilisant le modèle TB, les auteurs démontrent que cette rupture de symétrie permet de nouvelles transitions optiquement actives ($n \neq m$) qui sont interdites dans les rubans isolés.
   • Spectres d'absorption : Le seuil d'absorption est dominé par les transitions entre des états distribués symétriquement (par exemple, Valence Supérieure vers Conduction Inférieure).
   • Signatures spécifiques aux familles : Les spectres d'absorption présentent des caractéristiques distinctes pour chaque famille :
     • Famille -1 : Un pic primaire aigu suivi d'un creux et d'un second pic plus faible.
     • Famille 0 : Une caractéristique unique élargie où les pics primaire et secondaire se chevauchent en raison d'une faible séparation énergétique.
     • Famille +1 : Comportement intermédiaire avec des pics séparés mais des différences d'énergie/intensité plus faibles que la famille -1.
   • Les effets de champ local sont jugés négligeables pour la lumière polarisée parallèlement au ruban, mais ils provoquent un étouffement du seuil spectral pour la polarisation perpendiculaire.

Signification et revendications
L'article affirme fournir un « ensemble complet de systèmes » qui fait le pont entre la structure électronique et les spectres d'absorption optique, établissant ainsi une base pour des investigations plus approfondies. L'étude démontre que la classification par « famille », précédemment connue uniquement pour la bande interdite, s'étend aux énergies de transition proches de la bande interdite, aux propriétés de blindage et aux règles de sélection optique. En utilisant un modèle de liaison forte pour interpréter les résultats ab initio, les auteurs clarifient comment l'interface renormalise les bandes interdites et modifie la réponse des états électroniques par rapport aux blocs de construction isolés. Ce travail prépare le terrain pour des études futures sur les propriétés excitoniques et les effets des défauts dans ces hétérostructures latérales, sans proposer de nouveaux protocoles expérimentaux spécifiques ou d'applications de dispositifs immédiates au-delà de celles déjà suggérées dans l'introduction (par exemple, les photodétecteurs, les transistors).