[論文レビュー] Band-gap engineering, magnetic behavior and Dirac-semimetal character in the MoSi2N4 nanoribbon with armchair and zigzag edges

A. Bafekry, Mehrdad Faraji+6 more|arXiv (Cornell University)|May 21, 2021

2D Materials and Applications被引用数 6

ひとこと要約

本研究では、第一原理計算を用いて、アームチェア型およびジグザグ型端を持つMoSi2N4ナノリボンの特性を調査した。アームチェア型端ではバンドギャップの調整が可能であり、ジグザグ型端ではスピン極性を示す金属的挙動が観察された。主な発見として、特定のジグザグ型構造において、異方的ディラック半金属的性質が顕在化した。これはスピントロニクスおよびバレークトロニクス分野への応用可能性を示唆する。

ABSTRACT

Motivated by the recent successful formation of the MoSi2N4 monolayer [Hong et al., Sci. 369, 670 (2020)], the structural, electronic and magnetic properties of MoSi2N4 nanoribbons (NRs) is investigated for the first time . The band structure calculations showed spin-polarization in zigzag edges and a non-magnetic semiconducting character in armchair edges. For armchair-edges, we identify an indirect to direct band gap shift compared to the MoSi2N4 monolayer, and its energy gap increases with increasing NR width. Anisotropic electrical and magnetic behavior is observed via band structure calculations in the zigzag and armchair edges, where, surprisingly, for the one type of zigzag-edges configuration, we identify a Dirac-semimetal character. The appearance of magnetism and Dirac-semimetal in MoSi2N4 ribbon can give rise to novel physical properties, which could be useful in applications for next-generation electronic devices.

研究の動機と目的

• モノレイヤーの実験的合成に続く、MoSi2N4ナノリボン（NRs）の構造的・電子的・磁気的性質の調査。
• リボン幅と端の幾何学的形状（アームチェア型対ジグザグ型）が、電子的および磁気的挙動に与える影響の解明。
• MoSi2N4 NRsにおける、ディラック半金属的性質やハーフメタリシティといった新規な量子現象の同定。
• 次世代スピントロニクスおよびオプトエレクトロニクスデバイスへのMoSi2N4 NRsの応用可能性の評価。
• アームチェア型NRsにおける間接ギャップから直接ギャップへの遷移と、その幅依存性の解明。

提案手法

• 交換相関関数として一般化勾配近似（GGA-PBE）を用いた密度汎関数理論（DFT）。
• 平面波基底関数とプロジェクター補間波（PAW）法を用い、VASPに実装。
• 運動エネルギーのカットオフエネルギーを600 eVとし、ブリユアンゾーンのサンプリングに16×16×1のkメッシュを採用。
• 構造最適化の収束基準：エネルギー許容誤差 <10−5 eV、力の許容誤差 <10−3 eV/Å。
• z方向に20 Åの真空領域を設け、層間相互作用を防止。
• 電子的および磁気的性質の特徴付けのため、バンド構造、スピン密度、電子局在関数（ELF）、磁気モーメントの分析を実施。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 エッジ構造（アームチェア型対ジグザグ型）は、MoSi2N4ナノリボンの電子的バンド構造にどのように影響を与えるか？
• RQ2 アームチェア型エッジを有するMoSi2N4ナノリボンのバンドギャップは、リボン幅に依存するか？
• RQ3 ジグザグ型エッジを有するMoSi2N4ナノリボンは磁気的秩序を示すか？また、磁気モーメントはリボン幅に応じてどのように変化するか？
• RQ4 MoSi2N4ナノリボンにディラック半金属的状態が出現する可能性はあるか？その場合、どのような構造的配置下で発現するか？
• RQ5 特定の配置で同定されたディラックコーンの性質は何か？また、それは異方的であるか？

主な発見

• アームチェア型エッジを有するMoSi2N4ナノリボンは、単層構造と比較して間接ギャップから直接ギャップへの遷移を示す半導体的性質を示し、リボン幅が増加するに従いバンドギャップも増大する。
• ジグザグ型エッジを有するMoSi2N4ナノリボンは、スピン極性を示す金属的挙動を示し、幅W=1, 2, 3, 4の各場合における全磁気モーメントは、それぞれ1.8、1.7、2.15、2.44 μBであった。
• 特定のジグザグ型構造（III）において、傾いた異方的ディラックコーンを有するディラック半金属的状態が出現した。これは、Γ–K方向およびその垂直方向における異なる線形分散を示している。
• 構造IIIにおけるディラックコーンは、全磁気モーメントが0 μB（III）および0.95 μB（I）に近づくことと関連しており、磁性金属からディラック半金属への遷移を示唆している。
• スピン極性はジグザグ型NRの端に局在しており、リボン幅が増加するに従い、内側へとスピン極性領域が広がる。
• 構造IIIにおける異方的ディラックコーンは、異方的フェルミ速度をもたらす可能性があり、p-n接合におけるバレー選択的フィルタリングや光起電流生成への応用が期待される。