[論文レビュー] Optical and electronic properties of two dimensional graphitic silicon carbide

Xiao Lin, Yang Xu+5 more|arXiv (Cornell University)|May 24, 2012

Graphene research and applications参考文献 1被引用数 4

ひとこと要約

本研究では、密度汎関数理論を用いて、数層構造のグラフィチック炭化ケイ素（GSiC）の光学的および電子的性質を調査した。その結果、単層GSiCは面内応力をかけることでチューニング可能な直接ギャップを示すのに対し、数層GSiCは間接ギャップを示すことが明らかになった。これらの発見により、グラフェンやシリセンとは異なる特異なオプトエレクトロニクス的挙動を示すため、単層GSiCは新規の発光ダイオードの有望候補と位置づけられる。

ABSTRACT

Optical and electronic properties of two dimensional few layers graphitic silicon carbide (GSiC), in particular monolayer and bilayer, are investigated by density functional theory and found different from that of graphene and silicene. Monolayer GSiC has direct bandgap while few layers exhibit indirect bandgap. The bandgap of monolayer GSiC can be tuned by an in-plane strain. Properties of bilayer GSiC are extremely sensitive to the interlayer distance. These predictions promise that monolayer GSiC could be a remarkable candidate for novel type of light-emitting diodes utilizing its unique optical properties distinct from graphene, silicene and few layers GSiC.

研究の動機と目的

• 2次元の数層構造のグラフィチック炭化ケイ素（GSiC）の電子的および光学的性質、特に単層および二層構造の性質を調査すること。
• グラフェンおよびシリセンと比較し、GSiCに特有の特性を同定すること。
• 面内応力による単層GSiCのギャップエネルギーのチューニング可能性を調査すること。
• 二層GSiCの電子構造が層間距離の変化に対してどの程度感受性であるかを検討すること。
• その特異な光学応答に基づき、単層GSiCが新規の発光ダイオード（LED）材料としての可能性を評価すること。

提案手法

• 単層および数層GSiCの電子バンド構造および光学応答関数を計算するために、密度汎関数理論（DFT）を用いた。
• 平衡格子定数および層間距離を決定するために構造最適化を実施した。
• 単層GSiC系に面内応力を適用し、ギャップエネルギーに与える影響を評価した。
• 二層GSiCの層間距離を変化させ、電子的ギャップおよび性質への影響を分析した。
• 発光可能性を評価するために、光学的誘電関数および吸収スペクトルを計算した。
• 電子的および光学的挙動の差異を強調するために、グラフェンおよびシリセンの結果と比較した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 単層グラフィチック炭化ケイ素は直接ギャップを示すか、間接ギャップを示すか。また、グラフェンおよびシリセンと比較してどのように異なるか。
• RQ2 面内引張応力を加えることで、単層GSiCのギャップはどの程度チューニング可能か。
• RQ3 二層GSiCの電子的性質は、層間距離の変化に対してどの程度感受性を示すか。
• RQ4 単層および数層GSiCの光学的吸収特性は何か。また、グラフェンとはどのように異なるか。
• RQ5 その特異なオプトエレクトロニクス的応答に基づき、単層GSiCは新規の発光デバイスの実現可能性があると見なせるか。

主な発見

• 単層GSiCは直接ギャップを有しており、グラフェンのゼロギャップ半金属的挙動およびシリセンの間接ギャップとは明確に異なる。
• 単層GSiCのギャップエネルギーは、面内引張応力を加えることで効果的にチューニング可能であり、応力駆動型オプトエレクトロニクス素子への応用が期待される。
• 数層GSiC（二層以上）は間接ギャップを示すが、単層構造とは異なり、直接ギャップとは異なる。
• 二層GSiCの電子構造は層間距離の変化に対して極めて感受性を示し、ギャップおよびバンド分散に顕著な変化が観察された。
• 単層GSiCの光学的吸収スペクトルは、可視光から近赤外域にかけて強い、かつチューナブルな吸収を示し、発光応用への可能性を裏付けている。
• 直接ギャップと強い光学的応答の両方を併せ持つことから、単層GSiCはオプトエレクトロニクスおよびフォトニクス素子におけるグラフェンの代替材料として有望である。