[論文レビュー] Optical Properties of Graphene-like Two Dimensional Silicene

C. Kamal, Aparna Chakrabarti+2 more|arXiv (Cornell University)|May 23, 2012

Graphene research and applications被引用数 11

ひとこと要約

本研究では、密度汎関数理論（DFT）を用いて二次元的ケイ化珪素の光学的性質を調査し、強い偏光依存性を示す吸収を明らかにした。主なピークは2つあり、1.74 eVにおけるπ→π*遷移に起因する鋭いピークと、σ→σ*励起に起因する広いピークである。主な発見として、外部の垂直電場が可変的なバンドギャップを形成し、光学的吸収を変化させること、また水素化によってケイ化珪素がスピン2とスピン3の混在状態から純粋なスピン3に変わることでπ状態が消失し、1.74 eVピークが抑制されることを示した。

ABSTRACT

We study optical properties of two dimensional silicene using density functional theory based calculations. Our results on optical response property calculations show that they strongly depend on direction of polarization of light, hence the optical absorption spectra are different for light polarized parallel and perpendicular to plane of silicence. The optical absorption spectra of silicene possess two major peaks: (i) a sharp peak at 1.74 eV due to transition from pi to pi* states and (ii) a broad peak in range of 4-10 eV due to excitation of sigma states to conduction bands. We also investigate the effect of external influences such as (a) transverse static electric field and (b) doping of hydrogen atoms (hydrogenation) on optical properties of silicene. Firstly, with electric field, it is observed that band gap can be opened up in silicene at Fermi level by breaking the inversion symmetry. We see appreciable changes in optical absorption due to band gap opening. Secondly, hydrogenation in silicene strongly modifies the hybridization and our geometry analysis indicates that the hybridization in silicene goes from mixture of sp^2 + sp^3 to purely sp^3. Therefore, there is no pi electron present in the system. Consequently, the electronic structure and optical absorption spectra of silicene get modified and it undergoes a transition from semi-metal to semiconductor due to hydrogenation.

研究の動機と目的

• ab initio DFT計算を用いてケイ化珪素の光学的応答特性を調査すること。
• 特に垂直電場と水素化という外部の摂動がケイ化珪素の電子的および光学的挙動に与える影響を理解すること。
• 誘電関数および吸収スペクトルの変化を分析することで、ケイ化珪素が可変的なオプトエレクトロニクス材料として有効である可能性を探ること。
• ケイ化珪素における光学遷移を決定づけるπおよびσ電子状態の役割を明確にすること。
• 輸送および光学的測定による実験的検証の理論的基盤を提供すること。

提案手法

• 規範保存トロウリエア・マルティンス擬ポテンシャルを用いた完全自己無撞着DFT計算にSIESTAパッケージを適用した。
• 交換相関関数として、ペルデュー＝バーグ＝エルンツァーホフ（PBE）の一般化勾配近似（GGA）を用いた。
• 三重zeta基底関数に極化関数を追加し、電荷密度統合に400 Ryのカットオフエネルギーを設定した。
• 幾何最適化には45×45×1、光学的性質計算には250×250×1のkポイントサンプリングを実施した。
• Kohn-Sham固有値および固有状態を用いて誘電関数および光学的吸収スペクトルを計算した。
• 0.25–1.0 V/Åの垂直定常電場および水素化の効果を、電子構造および光学的応答に及ぼす影響を模擬した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 入射光の偏光方向がケイ化珪素の光学的吸収スペクトルにどのように影響を与えるか。
• RQ2 ケイ化珪素の光学的吸収ピークの主な電子遷移機構は何か。
• RQ3 垂直定常電場を印加することで、ケイ化珪素のバンド構造および光学的応答はどのように変化するか。
• RQ4 水素化によってケイ化珪素の電子的および光学的性質にどのような変化が生じるか。
• RQ5 外部電場および化学ドーピングが、ケイ化珪素のフェルミ準位付近のπおよびσ状態にどの程度の影響を及ぼすか。

主な発見

• ケイ化珪素の光学的吸収スペクトルは強い異方性を示し、平面に平行または垂直に偏光された光に対して明確に異なるスペクトルを示す。
• 1.74 eVにおける鋭い吸収ピークは、フェルミ準位付近のπ→π*遷移に起因し、状態密度のエネルギー差と一致する。
• 4–10 eVの範囲に広がる吸収ピークは、σ→σ*遷移に起因し、σおよびσ*バンドの大きなバンド幅に起因する。
• 垂直定常電場を印加することで、逆性対称性が破れ、フェルミ準位にバンドギャップが開き、電場強度に比例してギャップが増大する。
• 水素化によりケイ化珪素の混合作用がsp²+sp³から純粋なsp³に変わることで、π状態が消失し、半金属的性質から半導体的性質に転移する。
• 水素化後はπバンドが存在しないため1.74 eVピークが消失するが、σ→σ*ピークはほとんど変化せず、主にπ関連状態に影響が及ぶことが確認された。