[論文レビュー] Atomically sharp 1D SbSeI, SbSI and SbSBr with high stability and novel properties for microelectronic, optoelectronic, and thermoelectric applications

Bo Peng, Ke Xu+8 more|arXiv (Cornell University)|Mar 16, 2017

2D Materials and Applications被引用数 3

ひとこと要約

本研究では、第一原理計算を用いて、原子的に滑らかな1次元半導体SbSeI、SbSI、SbSBrの3種類の新規材料を提案し、高い動的安定性および熱的安定性を示した。1次元制約によって、バンドギャップ、有効質量、ゼーベック係数が顕著に増加し、超スケーリングされたトランジスタ、歪み可変型オプトエレクトロニクス、および強化された熱電性能が実現可能である。また、剥離法または水熱法による実験的合成が可能であることが示された。

ABSTRACT

In scaling of transistor dimensions with low source-to-drain currents, 1D semiconductors with certain electronic properties are highly desired. We discover three new 1D materials, SbSeI, SbSI and SbSBr with high stability and novel electronic properties based on first principles calculations. Both dynamical and thermal stability of these 1D materials are examined. The bulk-to-1D transition results in dramatic changes in band gap, effective mass and static dielectric constant due to quantum confinement, making 1D SbSeI a highly promising channel material for transistors with gate length shorter than 1 nm. Under small uniaxial strain, these materials are transformed from indirect into direct band gap semiconductors, paving the way for optoelectronic devices and mechanical sensors. Moreover, the thermoelectric performance of these materials is significantly improved over their bulk counterparts. Finally, we demonstrate the experimental feasibility of synthesizing such atomically sharp V-VI-VII compounds. These highly desirable properties render SbSeI, SbSI and SbSBr promising 1D materials for applications in future microelectronics, optoelectronics, mechanical sensors, and thermoelectrics.

研究の動機と目的

• 次世代ナノデバイスに適した、優れた電子的および熱電的特性を有する、安定的かつ実験的に実現可能な1次元半導体を同定すること。
• 超スケーリングされたフィールド効果トランジスタへの応用を阻害する、小 band gap および高誘電率を示す体積V-VI-VII半導体の限界を克服すること。
• 量子閉じ込め効果に起因する、体積から1次元への次元削減が、バンドギャップ、有効質量、誘電率といった電子構造に与える影響を調査すること。
• これらの1次元材料が、特に機械的歪みおよびドーピング条件下で、オプトエレクトロニクスおよび熱電応用にどれほど有望であるかを評価すること。
• これらの1次元材料が、剥離法、水熱法、または超音波化学的プロセスを用いて実験的に合成可能であることを示すこと。

提案手法

• 体積および1次元SbSeI、SbSI、SbSBrの結晶構造最適化に、PBE-D2関数を用いた密度汎関数理論（DFT）を採用した。
• 1次元相の動的安定性を確認するため、フォノン分散および状態密度（DOS）計算を実施した。
• 300 Kでの分子動力学シミュレーションを8 ps間実施し、1次元SbSeI構造の熱的安定性を検証した。
• 電子バンド構造、有効質量、静的誘電率の計算により、1次元系における量子閉じ込め効果を分析した。
• 一軸引張歪み（最大3%）を適用し、1次元SbSeIにおける間接ギャップから直接ギャップへの遷移を調査した。
• 熱電性能評価のため、300 Kにおけるセミクラスカル的ボルツマン輸送理論を用いてゼーベック係数および電子的zTを計算した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 SbSeI、SbSI、SbSBrなどの1次元V-VI-VII化合物は、原子的に滑らかな形状と高い熱的・動的安定性を有するように安定化可能か？
• RQ2 体積から1次元への遷移が、量子閉じ込め効果に起因して、バンドギャップ、有効質量、誘電率といった主要な電子的性質にどのように影響を与えるか？
• RQ3 微小な一軸引張歪みが、1次元SbSeIにおける間接ギャップから直接ギャップへの遷移を誘発できるか？その場合、オプトエレクトロニクス性能が向上するか？
• RQ4 これらの1次元材料は、体積相と比較して、どの程度熱電性能が向上するか？
• RQ5 これらの1次元材料が、剥離法、水熱法、または超音波化学的プロセスによって実験的に合成可能か？

主な発見

• 1次元SbSeIは、フォノン分散および300 Kでの分子動力学シミュレーションにより、高い動的安定性および熱的安定性を示した。
• 1次元SbSeIでは、量子閉じ込め効果により、体積相の約0.6 eVから1.2 eVにバンドギャップが増加した。これは、1 nm未満のゲート長を有するトランジスタのチャネル材料として有望である。
• 1次元SbSeIでは、量子閉じ込め効果に起因して有効質量が顕著に増加し、キャリア局在化が強化され、ゼーベック係数の上昇に寄与した。
• 3%の引張歪みを加えると、1次元SbSeIは間接ギャップから直接ギャップに遷移し、強力な光学吸収を示し、オプトエレクトロニクスおよび機械的センシングデバイスへの応用が可能になる。
• 1次元SbSeIのゼーベック係数は、体積相のSbSeIと比較して顕著に大きく、電子的zTはより広いドーピング範囲で高い値を示した。これは、優れた熱電性能を示している。
• SbSeIの理想剥離エネルギー（0.52 × 10⁻⁹ J/m）は、グラファイトよりも著しく低く、1次元鎖の機械的剥離が実験的に可能であることを示している。