[論文レビュー] Geometrical structure and the electron transport properties of monolayer and bilayer silicene near the semimetal-insulator transition point in tight-binding model

Chen-Huan Wu|arXiv (Cornell University)|Apr 30, 2018

Graphene research and applications参考文献 40被引用数 13

ひとこと要約

本研究では、スピン、バルク、およびサブラティスル自由度を含む多バンドタイトバンドモデルを用いて、半金属-絶縁体転移付近のモノレイヤーおよびバイレイヤー珪素化物における電子輸送および相転移挙動を調査した。その結果、転移の臨界 Hubbard U はモノレイヤー珪素化物で 9 eV、AA スタッキングのバイレイヤーまたは不純物ドープされたモノレイヤー珪素化物で 12 eV であることが判明した。光学的誘電率およびスクリーニング効果が、転移点付近の輸送特性を決定づける重要な役割を果たしていることが明らかになった。

ABSTRACT

We investigate the electron properties of the monolayer and bilayer silicene which is the honeycomb lattice consist of silicon atoms, including the optical conductivity and charged impurity scattering, due to the quasipatricle Dirac-like behaviors near the K-point of silicene. The spin, valley, sublattice degrees of freedom are taken into consider in the multi-band tight-binding model. In momentum space, the scattering matrix which connects the two bare (without interaction) Green's functions in the quasiparticle momentum transport process, could be momentum-independent for the single impuirity configuration, which is similar to the case with small Coulomb coupling in the low-energy Dirac semimetallic system. While in the zero-frequency limit, or the frequency-independent case in the strong Coulomb coupling regime, the static polarization can be obtained by the random-phase-approximation, and it's important for the determination of the screened Coulomb scattering by the charge impurity. The antiferromagnetic order in the silicene is Hubbard-U-dependent, unlike the square lattice which with the antiferromagnetic ground state, and provides the premise of the phase transition from the nonmagnetic semimetal phase to the insulator one. We found that in the absence of electric field, the critical value of the phase transition from semimetal to insulator is 9 eV for the clear monolayer silicene, and is 12 eV for the 2nd AA-stacked bilayer silicene or the dirty monolayer silicene whcih with impurity strength 4 eV. While the behaviors of 1st AA-stacked bilayer silicene is found similar to the monolayer one. The in-plane optical conductivity also shows the same results.

研究の動機と目的

• モノレイヤーおよびバイレイヤー珪素化物の半金属-絶縁体転移点付近における電子輸送特性を理解すること。
• スピン、バルク、およびサブラティスル自由度が電子散乱および相転移に与える影響を分析すること。
• さまざまな珪素化物構造における半金属から絶縁体への転移のための臨界 Hubbard U 値を特定すること。
• 不純物とクーロンスクリーニングが光学的誘電率および輸送特性に与える影響を調査すること。
• 強い電子相関下で反強磁性秩序およびモット絶縁体的挙動がどのように出現するかを探索すること。

提案手法

• 最近接結合（t）および第二近接結合（t'）の hopping 积分を含む、モノレイヤーおよびバイレイヤー珪素化物の電子構造を記述する多バンドタイトバンドモデルを用いた。
• 弱い結合条件下で単一不純物配置において、運動量に依存しない散乱行列を運動量空間で導出した。
• 強い結合状態におけるスクリーニングされたクーロン相互作用を決定づけるために、静的極化関数 Π(k,Ω) を計算するためにランダム位相近似（RPA）を用いた。
• ディラック型ハミルトニアンおよびガンマ行列から導出された速度演算子（v_x, v_y, v_z）を用いて、光学的誘電率を計算した。
• 層間距離 d の双曲正弦および双曲余弦関数を含む修正極化関数を用いて、スクリーニングされた層間 Hubbard 互換をモデル化した。
• オンサイト Hubbard U を調整することで相転移を分析し、反強磁性秩序およびモット絶縁体的挙動の出現によって臨界値を決定づけた。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 モノレイヤー珪素化物における半金属-絶縁体転移を引き起こす Hubbard U の臨界値は何か？
• RQ2 不純物が存在する場合、光学的誘電率および珪素化物内の電子輸送にどのような影響を与えるか？
• RQ3 RPA 極化関数は、珪素化物におけるスクリーニングされたクーロン散乱を決定づける上で果たす役割は何か？
• RQ4 なぜ AA スタッキングのバイレイヤー珪素化物では、モノレイヤー珪素化物（9 eV）よりも高い U（12 eV）が必要となるのか？
• RQ5 スピン軌道結合およびサブラティスル構造は、反強磁性秩序およびモット絶縁体相の出現にどのように寄与するか？

主な発見

• クリーンなモノレイヤー珪素化物における半金属-絶縁体転移の臨界 Hubbard U は 9 eV である。
• 2 番目の AA スタッキングのバイレイヤー珪素化物、または 4 eV の不純物強度を持つモノレイヤー珪素化物では、臨界 U は 12 eV である。これは金属的状態に対する安定性の向上を示している。
• 1 番目の AA スタッキングのバイレイヤー珪素化物は、モノレイヤー珪素化物と同様の輸送および相転移挙動を示し、類似した電子的応答を示している。
• 光学的誘電率の結果は、相転移の臨界値と整合的であり、転移の特徴の頑健性を確認している。
• 不純物は長距離クーロン散乱を誘発し、絶対零度極限において平均弾性拡散距離が √n に比例して増加する。
• 三重励起子の出現および d1+id2 型対称性のペアリング不安定性は、長距離 hopping（t'）の低下と関連しており、臨界 U 付近でペアリングが強化されている可能性が示唆された。