[論文レビュー] Electrically Tunable Quasi-Flat Bands, Conductance and Field Effect Transistor in Phosphorene

Motohiko Ezawa|arXiv (Cornell University)|Apr 23, 2014

2D Materials and Applications参考文献 38被引用数 96

ひとこと要約

本稿では、へこみ構造を持つホエイコム格子構造に起因する準平坦エッジバンドを有するリンパラジウムナノリブに、電気的にチューナブルなフィールド効果トランジスタを提案する。リブの長さに垂直な面内電界を印加することで、臨界電界を超えると電導度がオフになる。臨界電界はリブ幅に反比例し、1 µm幅のリブでは0.15 meV/nmのしきい値で実験的に実現可能なナノスケールのスイッチングが可能である。

ABSTRACT

Phosphorene, a honeycomb structure of black phosphorus, was isolated recently. We investigate electric properties of phosphorene nanoribbons based on the tight-binding model. A prominent feature is the presence of quasi-flat edge bands entirely detached from the bulk band. We explore the mechanism of the emergence of the quasi-flat bands analytically and numerically from the flat bands well known in graphene by a continuous deformation of a honeycomb lattice. The quasi-flat bands can be controlled by applying in-plane electric field perpendicular to the ribbon direction. The conductance is switched off above a critical electric field, which acts as a field-effect transistor. The critical electric field is anti-proportional to the width of a nanoribbon. This results will pave a way toward nanoelectronics based on phosphorene.

研究の動機と目的

• タイトバインディングモデルを用いてリンパラジウムナノリブの電子的性質を調査し、新しい量子輸送現象を解明すること。
• リンパラジウムにおける準平坦エッジバンドの起源と、外部電界によるそのチューナビリティを理解すること。
• 面内電界による電導度スイッチングを制御するフィールド効果トランジスタのメカニズムを提案すること。
• 実用的デバイス設計のため、臨界電界とナノリブ幅との間の定量的関係を確立すること。

提案手法

• リンパラジウムのへこみ格子構造の電子状態を記述するため、第一原理データから得られた5つの hopping 积分（t₁ から t₅）を含む4バンドタイトバインディングモデルを採用する。
• グラフェンの平坦バンド配置からのホエイコム格子の歪みを用いてバンド構造を分析し、t₂/t₁ の比と t₄ 項を変化させながらエッジ状態の進化を追跡する。
• 異方的極限（t₃=t₄=t₅=0）におけるゼロエネルギーのエッジ状態の解析的波動関数解を導出し、それがバルク内に指数関数的に減衰することを示す。
• 面内電界 Eₓ はリブ幅方向のポテンシャル勾配としてモデル化され、エッジ状態のエネルギーシフトが W·Eₓ に比例することを示す。
• リードの自己エネルギー補正と単粒子グリーン関数を用いたランドアール＝ビュッティカー形式により、電導度を計算する。
• 電導度 vs. Eₓ 曲線からの数値的解析により、電導度スイッチングの臨界電界を特定し、E_cr ∝ 1/W の急遷移を示す。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 リンパラジウムナノリブにどのようにして準平坦エッジバンドが出現するのか。その起源は格子構造に起因するのか。
• RQ2 面内電界を用いることで、リンパラジウムナノリブの電導度はどの程度電気的に変調可能か。
• RQ3 電導度スイッチングの臨界電界がナノリブ幅にどのように依存するか。
• RQ4 同様の格子歪みを加えた場合、リンパラジウムのバンド構造はグラフェンとどのように異なるか。
• RQ5 リンパラジウムの準平坦エッジバンドを用いて、高 on/off 比を実現するフィールド効果トランジスタを実現可能か。

主な発見

• リンパラジウムナノリブにおける準平坦エッジバンドは、へこみ構造を持つホエイコム格子に起因し、t₂/t₁ = 2 のときバルクバンドから分離して存在する。
• 面内電界の有無に応じて、ナノリブの電導度は 0 と 2e²/h の間でスイッチングされ、トランジスタ的挙動を示す。
• 電導度スイッチングの臨界電界 E_cr はリブ幅 W に反比例し、1 µm 幅のリブでは E_cr = 0.15 meV/nm である。
• 面内電界によるエッジ状態のエネルギーシフトは W·Eₓ に比例し、広いリブでは強いチューニングが可能である。
• 垂直電界 E_z によるバンドギャップは、大きなへこみ高さのため無視できるほど小さい（Δ ≈ 1.52 eV）ため、スイッチングには効果がない。
• Γ 点近傍の低エネルギー有効ハミルトニアンは、k_y 方向に線形分散、k_x 方向に放物線的分散を示し、ディラック的挙動に類似しているが強い異方性を示す。