[論文レビュー] Peierls transition and edge reconstruction in phosphorene nanoribbons

Ajanta Maity, Akansha Singh+1 more|arXiv (Cornell University)|Apr 9, 2014

2D Materials and Applications参考文献 2被引用数 18

ひとこと要約

本研究では、密度汎関数理論（DFT）を用いてリンパレンナノリボン（PNRs）の原子的および電子的構造を調査し、純粋な線形PNRsは端末再配置を経験するのに対し、幅広いジギー状PNRsはペイエルズ遷移を経験し、両者ともバンドギャップが開くことが明らかになった。両端末タイプを有する混合PNRsは、同時に両現象を示し、すべてのPNRsを半導体に変換する。これは電子的応用において極めて重要である。

ABSTRACT

Atomic and electronic structures of phosphorene nanoribbons are studied within density functional theory. These novel materials present different physical phenomena expected in two very different physical systems: one dimensional metallic chains and semiconductor surfaces. While `rugged' nanoribbons are semiconducting in their layer-terminnated structures, pure `linear' and `zigzag' nanoribbons are metallic due to metallic edge states. Linear nanoribbons undergo edge reconstruction and zigzag nanoribbons beyond a certain width undergo Peierls transition leading to opening of a band gap in the electronic structure and lowering of total energy. Mixed nanoribbons with linear and zigzag edges on the two sides turn out to be a curious case that display both edge reconstruction and Peierls transition simultaneously. Most phosphoeren nanoribbons turn out to be semiconductors having important implications for their application.

研究の動機と目的

• 第一原理的DFT計算を用いて、リンパレンナノリボン（PNRs）の原子的および電子的構造を理解すること。
• 異なる端末タイプ（線形、ジギー状、混合）を有するPNRsが金属的または半導体的挙動を示すかどうかを調査すること。
• 端末再配置およびペイエルズ遷移が電子的バンド構造をどのように変化させ、全エネルギーを低下させるかを特定すること。
• ペイエルズ歪みを考慮することで、先行研究におけるジギー状PNRsにおける金属的挙動に関する矛盾を解明すること。
• 架橋エネルギー解析を通じて、さまざまなPNRs構造の相対的安定性を評価すること。

提案手法

• PBE交換相関関数およびPAW擬ポテンシャルを用いたDFT計算を実施した。
• 平面波カットオフエネルギーを500 eVとし、単層では(8×1×8)、ナノリボンではx方向に(8×1×1)、z方向に(1×1×8)のkポイントメッシュを用いた。
• 周期的でない方向に15 Åのバキューム間隔を設け、層間相互作用を回避した。
• 共役勾配法を用いて全原子最適化を実施し、力が0.01 eV/Å未満となるようにした。
• すべての計算にはVASPコードを用い、一部の結果についてはHSE06ハイブリッド関数を用いて妥当性を検証した。
• バンド構造、軌道寄与、電荷密度分布の解析を通じて、端末状態および再配置効果を同定した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 純粋な線形またはジギー状端末を有するリンパレンナノリボンは、バンドギャップを開く構造的および電子的遷移を経験するか？
• RQ2 線形およびジギー状両端末を有する混合リンパレンナノリボンは、同時に端末再配置とペイエルズ遷移を示すか？
• RQ3 さまざまなPNRsタイプの架橋エネルギーを比較するとどうなるか？どの構造が最も安定か？
• RQ4 なぜ先行研究ではジギー状PNRsが金属的挙動を示すと報告されているのか？ペイエルズ歪みはこの矛盾をどのように解消するか？
• RQ5 混合PNRsにおける反転対称性の破れが、端末状態の局在化およびバンドギャップ形成に果たす役割は何か？

主な発見

• 純粋な線形リンパレンナノリボン（l-PNRs）は端末再配置を経験し、全エネルギーが低下し、バンドギャップが形成される。
• 幅広いジギー状リンパレンナノリボン（z-PNRs）はペイエルズ遷移を経験し、バンドギャップが開き、全エネルギーが1.44 eV低下する。
• 線形およびジギー状両端末を有する混合PNRsは、線形端末で端末再配置、ジギー状端末でペイエルズ遷移を同時に示し、結果として0.125 eVのバンドギャップが形成される。
• l-PNRsを除くすべてのPNRsは、構造的不安定性のため半導体的になるが、特に端末再配置を経験したl-PNRが最も安定で、架橋エネルギーは5.333 eV/原子である。
• 再配置およびペイエルズ遷移を経験した混合PNRsの架橋エネルギーは5.327 eV/原子であり、l-PNRとz-PNRの値の間の中間的値を示す。
• 軌道分析により、混合PNRsの最上位価電子バンドがジギー状端末原子のp_xおよびp_y軌道に起因し、伝導帯が線形端末原子のp_xおよびp_y軌道に起因することが確認された。