Unusual Electronic and Optical Properties of Two-Dimensional Ga2O3 Predicted by Density Functional Theory

密度泛函理论 激子 单层 双层 材料科学 半导体 带隙 凝聚态物理 直接和间接带隙 电子 原子轨道 光电子学 化学 纳米技术 物理 计算化学 量子力学 生物化学
作者
Jie Su,Rui Guo,Zhenhua Lin,Siyu Zhang,Jincheng Zhang,Jingjing Chang,Yue Hao
出处
期刊:Journal of Physical Chemistry C [American Chemical Society]
卷期号:122 (43): 24592-24599 被引量:70
标识
DOI:10.1021/acs.jpcc.8b08650
摘要

β-Ga2O3 is a wide-band-gap semiconductor having a great potential for applications in electronics and optoelectronics. Here, we predict the natural physical properties of atomic monolayer and bilayer Ga2O3 using density functional theory. Although β-Ga2O3 is not a van der Waals material, it is found that two-dimensional (2D) Ga2O3 is stable and can be fabricated by exfoliation. Different from unpassivated 2D Ga2O3, H-passivated 2D Ga2O3 possesses obvious quantum confinement effects. Remarkably, monolayer and bilayer Ga2O3 show larger indirect band gaps (6.42 and 5.54 eV, respectively) and far higher electron mobilities (up to 2684.93 and 24485.47 cm2/(V s), respectively) than those of bulk β-Ga2O3. Moreover, evident variation of band gaps and an indirect-to-direct transition are induced by uniaxial strain. The electron transport in 2D Ga2O3 is anisotropic due to the stronger contribution of O-pz orbitals to the conduction band minimum compared to that of O-py orbitals. Such characteristics promote the promising application of 2D Ga2O3 in electronic nanodevices. In addition, the electron relaxation time and exciton binding energies of 2D Ga2O3, especially bilayer, are enhanced to 3.77 ps and 0.93 eV, respectively. Moreover, pronounced optical absorbance (up to 105 cm–1) of 2D Ga2O3 in the solar-blind spectrum enhances its applications in optoelectronic nanodevices.
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