[論文レビュー] Controlling Band Gap in Silicene Monolayer Using External Electric Field

C. Kamal|arXiv (Cornell University)|Feb 13, 2012

Graphene research and applications被引用数 6

ひとこと要約

本研究では、材料の内在的バッキングに起因する反転対称性の破壊によって、シリセンナノプレートに垂直な外部電場を印加することで、バンドギャップが開かれ、調整可能であることを示している。バンドギャップは電場強度に比例して増加し、5 V/nmで50 meVを超える値に達する。これにより、シリコン技術と互換性を持つ室温動作が可能なナノエレクトロニクスへの応用が可能となる。

ABSTRACT

We study the geometric and electronic structures of silicene monolayer using density functional theory based calculations. The electronic structures of silicene show that it is a semi-metal and the charge carriers in silicene behave like massless Dirac-Fermions since it possesses linear dispersion around Dirac point. Our results show that the band gap in silicene monolayer can be opened up at Fermi level due to an external electric field by breaking the inversion symmetry. The presence of buckling in geometric structure of silicene plays an important role in breaking the inversion symmetry. We also show that the band gap varies linearly with the strength of external electric field. Further, the value of band gap can be tuned over a wide range.

研究の動機と目的

• 密度汎関数理論（DFT）を用いて、シリセンナノプレートの幾何学的および電子的構造を調査すること。
• 外部電場が、質量ゼロのディラックフェルミオンを示す半金属的性質を示すシリセンナノプレートにバンドギャップを開くことができるかどうかを特定すること。
• 印加する電場強度を変化させることで、バンドギャップの調整可能性を調査すること。
• 構造的バッキングが、電場誘起バンドギャップの開きを可能にする役割を理解すること。
• デバイスに実用的な調整を可能とするため、バンドギャップと電場強度の間の線形関係を確立すること。

提案手法

• ノーマルコンサービング Troullier-Martins の擬ポテンシャルを用いた、完全に自己無撞着なDFT計算をSIESTAパッケージで実施した。
• 三重zeta基底関数に極化関数を加えたものと、PBE-GGA交換相関関数を用いた。
• 相互作用を最小限に抑えるために、45×45×1 のkポイントメッシュと14 Åのバキューム層を用いた。
• 原子構造の最適化は、力が10⁻² eV/Å未満、エネルギー収束が10⁻⁶ eV未満になるまで行った。
• シリセンナノプレート面に垂直な外部電場を印加し、反転対称性を破った。
• 電子的性質およびバンドギャップの進化を分析するために、バンド構造と状態密度（DOS）を計算した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 質量ゼロのディラックフェルミオンを示す半金属的性質を示すシリセンナノプレートに、垂直方向の外部電場を印加することでバンドギャップが開くか？
• RQ2 シリセンナノプレートの内在的バッキングが、電場誘起バンドギャップの開きに与える影響は何か？
• RQ3 印加する電場強度と得られるバンドギャップとの間の定量的関係は何か？
• RQ4 実用的なナノエレクトロニクス用途に適した広範囲でのバンドギャップ調整が可能か？
• RQ5 外部電場の作用下で、価電子帯および伝導帯の端がフェルミエネルギー準位に対してどのようにシフトするか？

主な発見

• 最適化されたシリセンナノプレートは、格子定数3.903 Å、結合長2.309 Å、結合角115.4°を示し、sp²/sp³ハイブリダイゼーションの混合を示している。
• サブラティス A と B 間のバッキング距離（d）は0.5 Åであり、外部電場下での反転対称性の破壊を可能にする上で不可欠である。
• 電場が印加されていない状態では、K点で線形ディラック型分散を示し、質量ゼロのディラックフェルミオンの挙動が確認された。
• 垂直方向の外部電場を印加することで、反転対称性の破壊に起因し、フェルミエネルギー準位にバンドギャップが開いた。
• バンドギャップは電場強度に比例し、割合定数は10.14 meV/V/nmであり、5 V/nmで50.9 meVに達した。
• 価電子帯および伝導帯の端は、フェルミエネルギー準位から対称的に離れるようにシフトし、直接的かつ調整可能なバンドギャップであることが確認された。