[論文レビュー] Borophane: Stable Two-dimensional Anisotropic Dirac Material with Ultrahigh Fermi Velocity

Lichun Xu, Aijun Du+1 more|arXiv (Cornell University)|Feb 11, 2016

Quantum Mechanics and Non-Hermitian Physics被引用数 6

ひとこと要約

本稿では、第一原理計算を用いて、水素化され、動的に安定な二次元ホウ素単層であるボロファインを、超高フェルミ速度（最大3.0 × 10⁶ m/s）を示す異方的ディラック材料として提案する。ディラック準拠はホウ素原子の面内pₓおよびpᵧ軌道から生じ、優れた電子移動度と鋼鉄に匹敵する機械的頑丈さを実現し、高性能ナノエレクトロニクスに有望である。

ABSTRACT

Recent synthesis of monolayer borophene (triangle boron monolayer) on the substrate opens the era of boron nanosheet (Science, 350, 1513, $\mathbf{2015}$), but the structural stability and novel physical properties are still open issues. Here we demonstrated borophene can be stabilized with fully surface hydrogenation, called as borophane, from first-principles calculations. Most interesting, it shows that borophane has direction-dependent Dirac cones, which are mainly contributed by in-plane \emph{p$_{x}$} and \emph{p$_{y}$} orbitals of boron atoms. The Dirac fermions possess an ultrahigh Fermi velocity up to 3.0$ imes$10$^{6}$ m/s, 4 times higher than that of graphene. The Young's modules are calculated to be 129 and 200 GPa$\cdot$nm along two different directions, which is comparable with steel. The ultrahigh Fermi velocity and high mechanical feature render borophane ideal for nanoelectronics applications.

研究の動機と目的

• 第一原理計算を用いて、水素化ホウフェン（ボロファイン）の構造的および電子的安定性を調査すること。
• ボロファインがディラック準拠を示すかどうかを特定し、フェルミ速度および異方的輸送特性を評価すること。
• ボロファインにおけるディラック準拠およびフェルミ速度の機械的頑丈さとひずみによるチューナビリティを評価すること。
• ボロファインがナノエレクトロニクス用途に向けた高性能2次元材料としての可能性を検討すること。

提案手法

• 電子構造および構造最適化計算には、密度汎関数理論（DFT）にPBE-GGA関数とプロジェクター拡張波（PAW）法を用いた。
• 動的安定性の評価のために、phonopyコードおよび密度汎関数摂動論（DFPT）を用いてフォノン分散関係を計算した。
• バイアキシャルおよびユニアキシャルひずみ（−10% から +10%）を適用することで、ひずみによるディラック準拠およびフェルミ速度の頑丈さとチューナビリティを調査した。
• 軌道分解およびバンド構造解析を実施し、pₓおよびpᵧ軌道の寄与に基づいてディラック準拠の起源を特定した。
• 異なる結晶学的方向におけるヤング率を計算し、機械的異方性を評価した。
• 電子局在関数（ELF）解析を用いて、(110)面における結合性質および電子分布を可視化した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 完全表面水素化が単層ホウフェンを、動的に安定な2次元ディラック材料に安定化させ得るか？
• RQ2 ボロファインにおけるディラック準拠の起源と性質は何か？また、グラフェンのp_z軌道に依存するディラック準拠とはどのように異なるか？
• RQ3 ボロファインにおけるフェルミ速度の値は何か？グラフェンや他の2次元ディラック材料と比較してどうか？
• RQ4 外部ひずみがボロファインにおけるディラック準拠およびフェルミ速度の安定性とチューナビリティに与える影響は何か？
• RQ5 ボロファインの機械的特性は何か？グラフェンや鋼鉄と比較してどうか？

主な発見

• 水素化に伴う電子移動により、ボロファインは動的安定性を示し、遊離状態のホウフェンの不安定性を克服した。
• ボロファインのディラック準拠は、ホウ素原子の面内pₓおよびpᵧ軌道に起因し、グラフェンとは異なりp_z軌道に起因しない。
• ボロファインは最大3.0 × 10⁶ m/sの超高フェルミ速度を示し、グラフェンの8.2 × 10⁵ m/sの4倍にのぼる。
• フェルミ速度は強い異方性を示す：υₚₓ ≈ 3.0 × 10⁶ m/s および υₚᵧ ≈ 2.0 × 10⁶ m/s であり、異なる方向でのひずみ応答が顕著に異なる。
• バイアキシャルおよびユニアキシャルひずみ（−10% から +10%）の範囲でディラック準拠は安定しており、フェルミ速度はひずみによってチューニング可能であるが、軌道再配置に起因する2本の異常なひずみ応答線が存在する。
• 2つの結晶学的方向におけるヤング率は、それぞれ129 GPa·nmおよび200 GPa·nmであり、鋼鉄と同等で、グラフェンの2.4 TPaよりも顕著に高い。