[論文レビュー] Band gap engineering of PtSe2

Zhishuo Huang, Wenxu Zhang+1 more|arXiv (Cornell University)|May 27, 2016

2D Materials and Applications参考文献 39被引用数 25

ひとこと要約

本研究では、層数を変化させたり面内応力を加えたりすることで、PtSe2のバンドギャップを効果的にチューニングできることを示している。主にファンデルワールス相互作用が応力を誘発し、電子密度を再分配することで実現される。モノレイヤーでは1.2 eVであるバンドギャップは、五層構造では0.5 eVに狭まる。十分な応力が加われば半導体-金属遷移が可能となり、これは軌道混合の変化によって引き起こされる伝導帯端と価電子帯端のシフトに起因する。

ABSTRACT

Besides its predicted promising high electron mobilities at room temperature, PtSe2 bandgap sensitively depends on the number of monolayers combined by van der Waals interaction according to our calculations. We understand this by using bandstructure calculations based on the density functional theory. It was found that the front orbitals of VBM and CBM are contributed mainly from pz and px+y orbitals of Se which are sensitive to the out-plane and in-plane lattice constants, respectively. The van der Waals force enhances the bonding out-of-plane, which in-turn influences the bonding in-plane. We found that the thickness dependent bandgap has the same origin as the strain dependent bandgap, which is from the change of the front orbital interactions. The work shows the flexibilities of tuning the electronic and optical properties of this compound in a wide range.

研究の動機と目的

• 層間ファンデルワールス相互作用による層数増加に伴うPtSe2のバンドギャップの変化を調査すること。
• 少数層PtSe2におけるバンドギャップの縮小の電子的起源を理解すること、特に軌道混合と電荷再分配の役割を特定すること。
• 面内応力によるPtSe2における半導体-金属遷移の可能性を検討すること。
• 構造的応力（面内および面外）とバンド構造および有効質量の変化の相関関係を明らかにすること。
• PtSe2における層依存および応力依存のバンドギャップチューニングを統一的に説明するメカニズムを確立すること。

提案手法

• ファンデルワールス相互作用を含むためにPBE+vdW汎関数を用いた密度汎関数理論（DFT）計算。
• 全構造最適化を平面波擬ポテンシャルコード（PWscf）を用いて実施し、全エネルギー収束基準を10⁻⁹ハートリーに設定。
• 2次元構造とバルク構造のそれぞれに13×13×1および13×13×8のkポイントメッシュを用い、2次元的挙動を再現するため50 a.u.の真空間隔を確保。
• 電荷密度等値面と軌道解析を用いて、層間をまたいでSe p軌道とPt d軌道間の電子再分配を追跡。
• 均一な面内応力を適用して、電子的性質の機械的チューニングを模擬。
• 同等の精度レベルでFPLOフルポテンシャル線形化 augmented 平面波コードを用いた結果の妥当性確認。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 PtSe2のバンドギャップは層数の増加に伴いどのように変化するのか？その背後にあるメカニズムは何か？
• RQ2 ファンデルワールス力は、少数層PtSe2における応力誘発と電子構造の変化に果たす役割は何か？
• RQ3 面内応力はPtSe2に半導体-金属遷移を誘発できるか？また、層厚さの効果と比較してどう異なるか？
• RQ4 電子および正孔の有効質量は、層数および印加応力にどのように依存するか？
• RQ5 軌道混合および電荷再分配の観点から、バンドギャップの狭小化の起源は何か？

主な発見

• 層間ファンデルワールス相互作用により、モノレイヤーのバンドギャップは1.2 eVから五層構造では0.5 eVに減少する。
• ファンデルワールス力は正の面内応力（面内格子定数aの増加）と負の面外応力（層間距離の減少）を誘発し、これが軌道混合を変化させる。
• 伝導帯最小値（CBM）は主にSe pₓ₊ᵧおよびPt dₓz+yz軌道から構成され、層間相互作用によって安定化（エネルギーが低下）する。
• 価電子帯最大値（VBM）はSe p_z軌道が支配的であり、面外結合の減少により不安定化（エネルギーが上昇）するため、バンドギャップが狭まる。
• 五層構造PtSe2では、約4%の面内応力が加わると半導体-金属遷移が予測され、VBMがΓ点に近いQ₂ᵥからΓ点にシフトする。
• 電子および正孔の有効質量は、面内応力が増加するにつれて減少するが、二層PtSe2の正孔に関しては、層数の増加に伴い一時的に増加する傾向を示す。