[論文レビュー] Effect of shear strain on band structure and electronic properties of phosphorene

Yashasvi S. Ranawat, Rishabh Jain|arXiv (Cornell University)|Dec 16, 2015

2D Materials and Applications被引用数 4

ひとこと要約

本研究では、密度汎関数理論（DFT）を用いて、せん断ひずみがリンパレンの電子的性質に与える影響を調査し、両方向（アームチェアおよびジグザグ方向）で30%のひずみでバンドギャップが減少し、準金属的挙動が誘発されることを明らかにした。電気的導電度はひずみに伴い増加し、材料の破壊に達する極限の強度（アームチェア方向で30%、ジグザグ方向で35%）でピークに達するが、特にアームチェア方向に顕著な異方的輸送が観察された。

ABSTRACT

We present an ab-initio investigation of effects of shear strain on band structure and electronic properties of 2D phosphorene. We carried out DFT calculations to determine the shear stress as a function of shear strain and found the monolayer phosphorene has ultimate strength at shear strain 30% and 35% in armchair and zigzag directions, respectively, and it was also found that the monolayer extends in z direction on applying shear strain in both directions. Additionally, we derived band structures of phosphorene along both directions under shear strain and have shown that band gap in phosphorene decreases along both directions and that phosphorene shows a semi-metal nature on applying shear strain of magnitude 30% in both directions. The electrical conductivity of phosphorene was estimated by effective mass along zigzag and armchair directions and it is shown that the electrical conductivity is far higher along armchair direction, and that with increasing shear strain conductivity increases along armchair, up to ultimate strength, and zigzag directions.

研究の動機と目的

• 単層リンパレンの電子的バンド構造にせん断ひずみが与える影響を理解すること。
• 特にその破壊強度を含めた、リンパレンのせん断ひずみ下での機械的限界を特定すること。
• ひずみ下でのアームチェアおよびジグザグ方向における電気的導電度の異方的変化を分析すること。
• 高レベルのせん断ひずみ下での半導体から準金属への遷移を調査すること。

提案手法

• せん断応力がせん断ひずみの関数として計算可能な、ab-initio密度汎関数理論（DFT）計算を実施した。
• さまざまなせん断ひずみ下でのアームチェアおよびジグザグ方向に沿ったリンパレンのバンド構造を導出した。
• 2つの結晶学的方向に沿った電気的導電度を推定するために、有効質量近似を用いた。
• 構造的応答、特に面外方向の拡張も、せん断変形下で分析した。
• 機械的および電子的遷移をマップするために、アームチェアおよびジグザグ方向に段階的にせん断ひずみを適用した。
• DFTシミュレーションにおける構造的破壊が発生するまでの最大ひずみとして、破壊強度を決定した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 せん断ひずみは、アームチェアおよびジグザグ方向におけるリンパレンのバンドギャップにどのように影響するか？
• RQ2 リンパレンが半導体から準金属に遷移するためのせん断ひずみの大きさはどの程度か？
• RQ3 電気的導電度はせん断ひずみに応じてどのように変化するか？また、アームチェアおよびジグザグ方向間で異方的反応を示すか？
• RQ4 単層リンパレンの両結晶学的方向における極限せん断強度はどの程度か？
• RQ5 面外方向の格子定数は、せん断ひずみ下でどのように変化するか？

主な発見

• リンパレンは、せん断ひずみの影響を受けるとバンドギャップが減少し、アームチェアおよびジグザグ方向の両方で30%のひずみで準金属的挙動に遷移する。
• 単層リンパレンの極限せん断強度は、アームチェア方向で30%、ジグザグ方向で35%である。
• 両方向に沿った電気的導電度は、ひずみに伴い増加し、材料の破壊強度に達するまでピークに達する。
• 同等のひずみ下でも、アームチェア方向の導電度はジグザグ方向よりも顕著に高いまま維持される。
• リンパレンは、どちらの方向からでもせん断ひずみを受けると、z方向に拡張するため、面外方向の軟化が示唆される。
• バンド構造には顕著な異方的性質が見られ、特にアームチェア方向に電子的性質の変化が顕著に現れる。