[論文レビュー] Electronic transport and dynamical polarization in bilayer silicene-like system

Chen-Huan Wu|arXiv (Cornell University)|Sep 17, 2018

Graphene research and applications参考文献 48被引用数 3

ひとこと要約

本稿は、低エネルギーDirac模型に層間 hoppingと三重対称歪みを組み込んだものを使って、電荷を帯びた不純物および外部場下での二層シリセン類似系における電子輸送および動的スクリーニングを調査している。主な発見として、強い層間結合が放物型バンド分散を引き起こし、ランダム位相近似（RPA）に従う温度依存の移動度の異方性およびスクリーニング効果を生じる。高温では変形ポテンシャル近似を用いたフォノン散乱が支配的である。得られた結果は、二層グラフェンやMoS₂に対しても適用可能である。

ABSTRACT

We investigate the semiclassical electronic transport properties of the bilayer silicene-like system in the presence of charged impurity. The trigonal warping due to the interlayer hopping, and its effect to the band structure of bilayer silicene is discussed. Besides the trigonal warping, the external field also gives rise to the anisotropic effect of the mobility (at finite temperature) which can be explored by the Boltzmann theory. The dynamical polarization as well as the scattering wave vector-dependent screening within random phase approximation are very important in determining the scattering behavior and the self-consistent transport. We detailly discuss the transport behavior under the short- or long-range potential. The phonon scattering with the acoustic phonon mode which dominant at high temperature is also studied within the density functional theory (DFT). Our results are also valid for the bilayer graphene or bilayer MoS$_{2}$, and other bilayer systems with strong interlayer coupling.

研究の動機と目的

• 層間 hoppingおよび三重対称歪みが二層シリセン類似系のバンド構造および輸送に与える影響を理解すること。
• ボルツマン輸送理論を用いて、電荷を帯びた不純物および外部場が電子移動度および緩和率に与える影響を調査すること。
• ランダム位相近似（RPA）における波数依存スクリーニングおよび動的極化関数を計算すること。
• フェルミの黄金律および変形ポテンシャル近似を用いて有限温度における電子-フォノン散乱をモデル化すること。
• 二層グラフェンやMoS₂のような他の二層系に、得られた知見を拡張すること。

提案手法

• 層間 hopping $ t_\perp = 2 \, \text{eV} $、三重対称歪み $ t_w = 0.16 \, \text{eV} $、スピン-軌道結合 $ \lambda_{\text{SOC}\perp} = 0.5 \, \text{meV} $ を組み込んだ低エネルギー四バンドDiracハミルトニアンを構築する。
• Matsubara形式を用いてグリーン関数のトレースをとることで、RPAフレームワーク下での動的極化関数 $ \Pi^{\text{bi}}(\mathbf{q}, i\Omega) $ を導出する。
• 長距離および短距離不純物ポテンシャル下での温度依存移動度を計算するためにボルツマン輸送方程式を適用する。
• 有限温度における電子-フォノン散乱率をフェルミの黄金律および変形ポテンシャル近似を用いて計算する。
• DFTに基づく横方向フォノンモードの解析を行い、シリセンとMoS₂における電子-フォノン結合を比較する。
• 有効ハミルトニアンからエネルギー準位 $ \varepsilon^{\pm} $ を解き、バンド分散およびギャップの開きを決定する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 層間 hoppingおよび三重対称歪みは、二層シリセンにおけるバンド構造およびフェルミ面トポロジーにどのように影響を与えるか？
• RQ2 長距離または短距離不純物ポテンシャル下での輸送挙動を決定する要因として、動的極化およびスクリーニングの役割は何か？
• RQ3 温度が電荷を帯びた不純物およびフォノン散乱による電子移動度および緩和率に与える影響はいかほどか？
• RQ4 二層シリセンの輸送特性は、二層グラフェンやMoS₂とどの程度類似または相違するか？
• RQ5 外部電場の存在が、キャリア密度およびスクリーニングにどのように影響を与えるか？

主な発見

• 強い層間 hopping $ t_\perp = 2 \, \text{eV} $ により、二層シリセンのバンド構造は放物型分散を示し、顕著なバンドギャップと変更されたフェルミ面幾何学的形状を示す。
• RPAフレームワーク下での動的極化は波数および周波数に強く依存しており、長波長および有限温度下でスクリーニング効果が支配的である。
• 温度依存移動度は三重対称歪みにより異方的であり、ボルツマン理論により逆散乱が抑制され、特定の方向での輸送が増強される。
• 高温における電子-フォノン散乱は横方向フォノンに支配され、変形ポテンシャル近似およびフェルミの黄金律を用いて散乱率が導出される。
• 大きなバンドギャップが存在する場合、二層シリセンの静的極化は断熱極限においてほぼ温度依存性がない。
• 得られた結果は、強い層間結合および類似したバンド構造を示す他の二層系、特に二層グラフェンやMoS₂に対しても適用可能である。