[論文レビュー] A review of the electronic and optical properties of strained graphene and other similar 2D materials

Gerardo G. Naumis, Salvador Barraza‐Lopez+2 more|arXiv (Cornell University)|Nov 25, 2016

2D Materials and Applications被引用数 5

ひとこと要約

本レビューは、グラフェンおよび関連2次元材料における応力誘発電子的・光学的変化の現在の理解を統合し、理論的モデルを用いてフラクタルスペクトル、出現する重力、トポロジカル状態などの特異な量子現象を明らかにする。応力工学が、調整可能な光学的コンダクタンスおよびラマン応答を可能にし、新たなオプトエレクトロニクス素子の設計を可能にする。

ABSTRACT

This review presents the state of the art in strain and ripple-induced effects on the electronic and optical properties of graphene. It starts by providing the crystallographic description of mechanical deformations, as well as the diffraction pattern for different kinds of representative deformation fields. Then, the focus turns to the unique elastic properties of graphene, and to how strain is produced. Thereafter, various theoretical approaches used to study the electronic properties of strained graphene are examined, discussing the advantages of each. These approaches provide a platform to describe exotic properties, such as a fractal spectrum related with quasicrystals, a mixed Dirac-Schrodinger behavior, emergent gravity, topological insulator states, in molecular graphene and other 2D discrete lattices. The physical consequences of strain on the optical properties are reviewed next, with a focus on the Raman spectrum. At the same time, recent advances to tune the optical conductivity of graphene by strain engineering are given, which open new paths in device applications. Finally, a brief review of strain effects in multilayered graphene and other promising 2D materials like silicene and materials based on other group-IV elements, phosphorene, dichalcogenide- and monochalcogenide-monolayers is presented, with a brief discussion of interplays among strain, thermal effects, and illumination in the latter material family.

研究の動機と目的

• 機械的応力およびリップルがグラフェンおよび他の2次元材料の電子的・光学的挙動に与える影響を体系的に分析すること。
• 応力によって誘発される特異な量子現象（フラクタルエネルギー準位スペクトルや出現する重力など）を特定および説明すること。
• 歪みのあるグラフェンの電子構造をモデル化する理論的枠組みの評価およびその予測能力の検証。
• 特にラマン分光法およびコンダクタンスに関して、応力調整された光学的性質に関する理論的および実験的進展をレビューすること。
• 多層グラフェンおよびシリセン、モノクロルルラン、ディチalcogenidesを含む新興2次元材料への知見の拡張、ならびに応力・熱的効果・光照射の相互作用を含む。

提案手法

• 2次元格子におけるさまざまな歪み場をモデル化するため、結晶学的および回折パターン解析を用いる。
• タイトバインディングモデルおよび連続体力学理論などの理論的アプローチを適用して、歪みが電子バンド構造に与える影響を記述する。
• ゲージ場の類似物を用いたディラック方程式形式を用いて、歪み下での相対論的効果のモデル化。
• ラマン分光法を、グラフェンにおける応力分布および格子歪みの主要な実験的プローブとして分析する。
• デバイス応用のための調整可能性を評価するため、歪み下での光学的コンダクタンスの計算を統合する。
• 層間結合および異方的機械的応答を組み込むことで、多層系および他の2次元材料へのモデルの拡張。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 異なる種類の応力およびリップルパターンは、グラフェンの電子バンド構造をどのように変化させるか？
• RQ2 歪みのある2次元系におけるフラクタルスペクトルおよびディラック＝シュレーディンガー混合挙動の出現を最もよく記述する理論的枠組みは何か？
• RQ3 応力はグラフェンのラマンスペクトルおよび光学的コンダクタンスをどのように変調するか？
• RQ4 どのようにして応力工学を活用して2次元材料における調整可能なオプトエレクトロニクス応答を達成できるか？
• RQ5 遷移金属ジチalcogenides単層では、応力、熱的効果、および光照射がどのように相互作用するか？

主な発見

• グラフェンにおける応力は、準周期的格子歪みに起因するクライスタルに類似したフラクタルエネルギースペクトルを誘発する。
• 歪みのあるグラフェンは、相対論的ディラックフェルミオンと非相対論的シュレーディンガー的状態が混合する、混合ディラック＝シュレーディンガー挙動を示す。
• 応力は、重力ポテンシャルを模倣する有効ゲージ場を生成し、2次元格子における出現する重力効果をもたらす。
• 応力工学により、グラフェンにおける調整可能な光学的コンダクタンスが実現可能となり、動的フォトレセプタおよびモジュレータの設計に道を開く。
• ラマン分光法は、明確な応力依存のピークシフトおよび広がりを示し、局所的応力マッピングの信頼できるプローブとして機能する。
• 多層グラフェンおよびホスホレン、ディチalcogenidesなどの2次元材料は、複雑な応力・熱的・光照射の結合効果を示し、それらの電子的および光学的応答に影響を与える。