[論文レビュー] Electronic and Excitonic Properties of MSi2Z4 Monolayers

Tomasz Woźniak, Umm-e-hani Asghar+3 more|arXiv (Cornell University)|Oct 19, 2022

2D Materials and Applications被引用数 7

ひとこと要約

本研究では、第一原理計算およびBethe-Salpeter方程式を用いて、MSi₂Z₄モノレイヤー（M = Mo, W；Z = N, P, As, Sb）の電子的および励起子的性質を調査した。大きな励起子束縛エネルギー、高次の伝導帯励起子における強い磁場応答性および高い正のg因子、およびWSi₂Sb₄におけるトポロジカルな挙動を予測した。これらの材料は、光エレクトロニクスおよびバレーtronicsデバイスの応用に有望なプラットフォームである。

ABSTRACT

MA2Z4 monolayers form a new class of hexagonal non-centrosymmetric materials hosting extraordinary spin-valley physics. While only two compounds (MoSi2N4 and WSi2N4) were recently synthesized, theory predicts interesting (opto)electronic properties of a whole new family of such two-dimensional materials. Here, the chemical trends of band gaps and spin-orbit splittings of bands in selected MSi2Z4 (M = Mo, W; Z = N, P, As, Sb) compounds are studied from first-principles. Effective Bethe-Salpeter-equation-based calculations reveal high exciton binding energies. Evolution of excitonic energies under external magnetic field is predicted by providing their effective g-factors and diamagnetic coefficients, which can be directly compared to experimental values. In particular, large positive g-factors are predicted for excitons involving higher conduction bands. In view of these predictions, MSi2Z4 monolayers yield a new platform to study excitons and are attractive for optoelectronic devices, also in the forms of heterostructures. In addition, a spin-orbit induced bands inversion is observed in the heaviest studied compound, WSi2Sb4, a hallmark of its topological nature.

研究の動機と目的

• 遷移金属と chalcogen・pnictogen 要素の組み合わせを網羅的に調査し、MSi₂Z₄モノレイヤーの電子的および励起子的性質を体系的に探索すること。
• スピン軌道相互作用および外部磁場が、これらの2次元材料内の励起子状態に与える影響を予測すること。
• 大きな励起子束縛エネルギーと強いスピン・バレー結合を示す材料を同定し、光エレクトロニクスおよびバレーtronics応用の可能性を検討すること。
• 特に重い化合物（例：WSi₂Sb₄）においてトポロジカル特性が顕在化するかを調査すること。
• 今後の実験的検証に役立つ、g因子や抗磁性係数といった実験的に測定可能なパラメータを提供すること。

提案手法

• MSi₂Z₄モノレイヤーの基底状態電子構造を計算するために、スピン軌道相互作用を含む密度汎関数理論（DFT）を用いた。
• 121×121 kグリッド上で有効なBethe-Salpeter方程式（BSE）を適用し、励起子状態および束縛エネルギーを計算した。
• バンドの和集合法を用いて励起子のg因子を計算し、ゼーマンシフトに寄与する軌道的およびスピン的角運動量の寄与に基づいた。
• BSE波動関数から得られる有効質量および半径の期待値を用いて、抗磁性係数を決定した。
• 磁場依存性を記述するために、エネルギーシフトモデル E^X(B) = gμ_B B + αB² を用い、σ⁺およびσ⁻遷移からgおよびαを抽出した。
• バンド曲率および平面内誘電率テンソルから有効質量および誘電率スクリーニングを評価し、励起子パラメータの精緻化を図った。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 MSi₂Z₄ファミリー（M = Mo, W；Z = N, P, As, Sb）におけるバンドギャップおよびスピン軌道スプリットの傾向は何か？
• RQ2 これらのモノレイヤーにおける励起子束縛エネルギーはどの程度大きく、その大きさに影響を与える要因は何か？
• RQ3 外部磁場下における励起子の有効g因子および抗磁性係数は何か？
• RQ4 これらの材料のうち、特に重い化合物であるWSi₂Sb₄にトポロジカル特性が見られるか？
• RQ5 これらの材料は強力なスピン・バレー結合および大きなゼーマン分裂を示すことができ、バレーtronics応用に適しているか？

主な発見

• MSi₂Z₄モノレイヤーはK谷に直接バンドギャップを示し、MoSi₂N₄およびWSi₂N₄はそれぞれ約1.94 eVおよび約2.05 eVの基本的間接ギャップを示す。
• 励起子束縛エネルギーは非常に大きく、いくつかの化合物で100 meVを超えると予測され、電子-正孔相関効果が顕著であることを示唆している。
• 高次の伝導帯に属する励起子に対しては高い正のg因子が予測され、特にWSi₂Sb₄における特定の遷移で2.0を超える値が得られた。
• 抗磁性係数αは励起子半径および有効質量に比例し、BSEで得られた波動関数から導かれた定量的数値が得られた。
• WSi₂Sb₄ではスピン軌道効果に起因するバンド反転が観察され、トポロジカル絶縁体相の可能性を示唆している。
• 電子および正孔の有効質量はZ元素に応じて体系的に変化し、キャリア移動度および励起子的性質に影響を与える。