[論文レビュー] Direct band gap and strong Rashba effect in van der Waals heterostructures of InSe and Sb single layers

Dangqi Fang, Siyu Chen+2 more|arXiv (Cornell University)|Oct 3, 2020

2D Materials and Applications参考文献 62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InSe/Sb van der Waalsヘテロ構造を調査し、スピン-軌道結合および反転対称性の破れにより、伝導帯端で直接的なバンドギャップと強いラシュバスピン分離が生じることを示した。ラシュバ分離は、面内方向の両軸ひずみまたは面外方向の電場によって効果的に調整可能であり、低温におけるスピントロニクスおよびオプトエレクトロニクス素子の応用に有望である。

ABSTRACT

Van der Waals heterostructures formed by stacking different types of 2D materials are attracting increasing attention due to new emergent physical properties such as interlayer excitons. Recently synthesized atomically thin indium selenide (InSe) and antimony (Sb) individually exhibit interesting electronic properties such as high electron mobility in the former and high hole mobility in the latter. In this work, we present a first-principles investigation on the stability and electronic properties of ultrathin bilayer heterostructures composed of InSe and Sb single layers. The calculated electronic band structures reveal a direct band gap semiconducting nature of the InSe/Sb heterostructures independent of stacking pattern. Taking spin-orbit coupling into account, we find a large Rashba spin splitting at the bottom of conduction band, which originates from the atomic spin-orbit coupling with the symmetry breaking in the heterostructure. The strength of the Rashba spin splitting can be tuned by applying in-plane biaxial strain or an out-of-plane external electric field. The presence of large Rashba spin splitting together with a suitable band gap in InSe/Sb bilayer heterostructures make them promising candidates for spin field-effect transistor and optoelectronic device applications.

研究の動機と目的

• InSe/Sb二層van der Waalsヘテロ構造の安定性および電子的性質を調査すること。
• ヘテロ構造がスタッキング配置に依存せず直接的なバンドギャップを示すかどうかを特定すること。
• スピン-軌道結合および対称性の破れによって生じるラシュバスピン分離の起源とチューナビリティを分析すること。
• 面内方向の両軸ひずみおよび面外方向の電場がラシュバ効果およびバンド構造に与える影響を調査すること。
• InSe/Sbヘテロ構造がスピンフィールド効果トランジスタおよびオプトエレクトロニクス素子への応用可能性を評価すること。

提案手法

• VASPを用いたプロジェクター補間波関数法を用いた第一原理密度汎関数理論（DFT）計算。
• PBE+SOC関数を用いてスピン-軌道結合（SOC）を含め、ラシュバ型分離を捉える。
• 複数のスタッキング配置（例：AC′）の系統的分析により、最も安定した構造を特定。
• 面内方向の両軸ひずみ（-3% ～ 3%）を適用し、電子的性質の機械的チューニングを調査。
• 面外方向の電場（-0.2 V/Å ～ 0.2 V/Å）を適用し、ラシュバ効果の静電的チューニングを検討。
• スピン分離の強度を定量化するため、ラシュバパラメータ（αR）、ラシュバエネルギー（ER）、運動量オフセット（kR）を計算。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 InSe/Sb van der Waalsヘテロ構造は、スタッキングパターンに関係なく直接的なバンドギャップを示すか？
• RQ2 InSe/Sbヘテロ構造におけるラシュバスピン分離の起源は何か？また、原子的スピン-軌道結合が支配的か？
• RQ3 外部の機械的ひずみまたは電場によってラシュバスピン分離をチューニング可能か？
• RQ4 面内方向の両軸ひずみおよび面外方向の電場は、バンドギャップおよびスピン分離エネルギーにどのように影響するか？
• RQ5 このヘテロ構造は実用的なスピントロニクスまたはオプトエレクトロニクス素子の応用を可能にするか？

主な発見

• すべての低エネルギースタッキング配置において、InSe/Sbヘテロ構造は直接的なバンドギャップを示し、結合エネルギーは20.5～21.6 meV/Ųの間で変動する。
• スピン-軌道結合および反転対称性の破れにより、Γ点付近の伝導帯最小値で最大13.4 meVの大きなラシュバスピン分離が観測された。
• 圧縮ひずみ-3%ではラシュバパラメータαRが0.8 eV·Åから、引張ひずみ3%では1.58 eV·Åに増加し、ひずみによる強いチューニングが示された。
• ラシュバエネルギーERはひずみに伴い単調に増加し、印加電場に対してほぼ線形に変化し、-3%ひずみで4 meVから3%ひずみで13.4 meVに達した。
• 電場の影響を受けてもバンドギャップは安定しており、-0.2 V/Å から 0.2 V/Å の範囲で0.53 eV から 0.47 eV に僅かに変化し、半導体的性質が維持された。
• 3%の引張ひずみ下で、界面間距離は2.74 Åから2.53 Åに減少し、界面相互作用が強化され、ラシュバパラメータが増加した。