[論文レビュー] Band Gaps and Giant Stark Effect in Nonchiral Phosphorene Nanoribbons

Qingyun Wu, Lei Shen+3 more|arXiv (Cornell University)|May 13, 2014

2D Materials and Applications被引用数 7

ひとこと要約

本研究では、非キラルなリンパラジンナノリブ（PNRs）において巨大なストark効果を実証し、電界誘起の絶縁体-金属遷移とデュアルゲートフィールド効果トランジスタ（FET）における高いオン/オフ比を実現した。密度汎関数理論と非平衡グリーン関数計算を用いて、輸送チャネルがPNRsの内部に局在していることが明らかになった。これにより、端部欠険に対して強く耐性を持つことが示された。

ABSTRACT

By combining density functional theory and nonequilibrium Green's function, we study the electronic and transport properties of monolayer black phosphorus nanoribbons (PNRs). First, we investigate the band-gap of PNRs and its modulation by the ribbon width and an external transverse electric feld. Our calculations indicate a giant Stark effect in PNRs, which can switch on transport channels of semiconducting PNRs under low bias, inducing an insulator-metal-transition. Next, we study the transport channels in PNRs via the calculations of the current density and local electron transmission pathway. In contrast to graphene and MoS_2 nanoribbons, the carrier transport channels under low bias are mainly located in the interior of both armchair and zigzag PNRs, and immune to a small amount of edge defects. Lastly, a device of the PNR-based dual-gate feld-effect-transistor, with high on/off-ratio of 10^3, is proposed based on the giant electric feld tuning effect.

研究の動機と目的

• モノレイヤー黒リンナノリブ（PNRs）のバンドギャップのチューナビリティを、リブ幅および外部電界によって調査すること。
• 低バイアス下におけるPNRs内での電子輸送チャネルの性質を理解すること、特にその空間的局在性と欠陥耐性について。
• PNRsにおける巨大ストark効果が、大きなオン/オフ比を示す高性能フィールド効果トランジスタの実現可能性を検討すること。
• PNRsの強い電界モード変調特性を活用したデュアルゲートFETデバイス設計を提案すること。

提案手法

• リンパラジンナノリブ（PNRs）の電子構造およびバンドギャップを、リブ幅および垂直方向電界の関数として密度汎関数理論（DFT）を用いて計算する。
• バイアス下における電流密度および局所的電子透過経路を計算するために、非平衡グリーン関数（NEGF）形式を適用する。
• アームチェア型およびジグザグ型PNRsにおける輸送特性をシミュレートし、電流チャネルの空間的分布および欠陥感受性を比較する。
• PNRsチャネルを基盤とするデュアルゲートフィールド効果トランジスタ（FET）モデルを設計し、オン/オフ比およびフィールド効果モード変調能力を評価する。
• 変化する電界下でのバンド構造および透過スペクトルの進化を分析し、絶縁体-金属遷移を特定する。
• 局所透過の空間的マップを用いて、PNRsにおける輸送がエッジ支配かボリューム支配かを同定する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 リンパラジンナノリブのバンドギャップは、リブ幅および外部の垂直電界にどのように依存するか？
• RQ2 低バイアス下におけるアームチェア型およびジグザグ型PNRsにおける電子輸送チャネルの空間的分布はどのようになるか？
• RQ3 PNRsの輸送特性は、エッジ欠陥に対してどの程度耐性を示すか？
• RQ4 PNRsにおける巨大ストark効果は、フィールド効果トランジスタ構成で顕著なオン/オフ比を実現可能か？
• RQ5 PNRsにおけるバンドギャップの電界チューニングは、グラフェンおよびMoS₂ナノリブと比較してどの程度異なるか？

主な発見

• リンパラジンナノリブでは、低外部電界下でも巨大ストark効果が観測され、絶縁体-金属遷移が可能である。
• PNRsのバンドギャップは、リブ幅および垂直電界の両方で強くチューニング可能であり、電子状態を完全に制御可能である。
• 低バイアス下では、PNRsにおける電流輸送は主にエッジではなく内部領域に局在しており、グラフェンやMoS₂ナノリブとは異なっている。
• PNRsにおける内部に局在する輸送チャネルは、わずかなエッジ欠陥に対しても高い耐性を示し、耐久性が向上する。
• PNRsを用いたデュアルゲートFETは、オン/オフ比10³を達成し、強いフィールド効果モード変調を示した。
• PNRsにおける輸送メカニズムは、強力な電界チューニング性とボリュームに似た伝導経路の両方を組み合わせるため、他の2次元材料とは本質的に異なる。