[論文レビュー] Prediction of Novel Stable 2D-Silicon with Fivefold Coordination

Zhenhai Wang, Mingwen Zhao+7 more|arXiv (Cornell University)|Nov 27, 2015

Graphene research and applications被引用数 4

ひとこと要約

本研究では、五角形環と五重協議を有する安定な新しい2次元シリコン同素体「siliconeet」の予測を行い、強力な方向依存性を示すデルタコーンと、シリセンよりも大きなスピン軌道結合ギャップ（2.58 meV）を有することが判明した。構造はエネルギー的により安定でトポロジカル的に非自明であり、シリコンベース電子素子における2次元トポロジカル絶縁体の応用にとって有望な候補である。

ABSTRACT

Silicene, an analogue of graphene, was so far predicted to be the only two-dimensional silicon (2D-Si) with massless Dirac fermions. Here we predict a brand new 2D-Si Dirac semimetal, which we name siliconeet [silik'ni:t]. Unexpectedly, it has a much lower energy than silicene and robust direction-dependent Dirac cones with Fermi velocities comparable to those in graphene. Remarkably, its peculiar structure based on pentagonal rings and fivefold coordination plays a critical role in the novel electronic properties. Taking spin-orbit coupling into account, siliconeet can also be recognized as a 2D-topological insulator with a larger nontrivial band gap than silicene.

研究の動機と目的

• シリセンを超える新しい電子的性質を示す安定な2次元シリコン同素体の同定を目的とする。
• シリセンの不安定性と弱いスピン軌道結合が実用的応用を妨げている問題を解決することを目的とする。
• 五角形環構造と五重協議が強力なデルタ半金属行動を可能にする役割を調査することを目的とする。
• スピン軌道結合とトポロジカル不変量を用いて予測された2次元-Si相のトポロジカル性を評価することを目的とする。
• ひずみおよび熱的揺らぎ下での新相の構造的および動的安定性を評価することを目的とする。

提案手法

• Si系の6〜24原子/単位格子を対象とした体系的な2次元構造探索のため、ab initioの進化的アルゴリズム（USPEX）を用いた。
• VASPを用いて、PBEおよびHSE06関数を用いた投影スピン波関数（PAW）法による構造最適化と全エネルギー計算を実施した。
• 正確なバンド構造および電荷密度計算のため、ブリユアンゾーンの30×30×1 kポイントグリッドによるサンプリングを実施した。
• 動的安定性は、Phonopyを用いたフォノン分散計算およびNVTアンサンブルにおける第一原理分子動力学（MD）シミュレーションにより評価した。
• Fu–Bernevig法を用いてトポロジカル不変量を計算し、Z2 = 1が得られ、非自明なトポロジーが確認された。
• フェルミ準拠近傍における部分電荷密度およびバンド構造解析を用いて、軌道寄与とバンド分散を分析した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 進化的構造探索を用いて、五重協議と五角形環を有する安定な2次元シリコン相を予測できるか？
• RQ2 新規2次元-Si相は、方向依存性を示す強力なデルタコーンを示すか？
• RQ3 スピン軌道結合およびトポロジカル保護の観点から、この新相の電子構造はシリセンと比べてどのように異なるか？
• RQ4 五角形環幾何学的配置と五重協議が、新規デルタ半金属行動の安定化に果たす役割は何か？
• RQ5 予測された2次元-Si相は、ひずみおよび有限温度揺らぎ下でも動的安定性を示すか？

主な発見

• 予測された2次元-Si相（siliconeet）は、シリセンよりも顕著に低い生成エネルギーを示し、熱力学的安定性が高まっていることが示された。
• siliconeetは、表面および中層サブラティスのp_z軌道間のバンド反転により、方向依存性を示す強力なデルタコーンを示し、グラフェンと同等のフェルミ速度を示した。
• 6%の引張および圧縮ひずみ下でも、デルタコーンの特徴が維持され、機械的強度が確認された。
• siliconeetのスピン軌道結合ギャップは2.58 meVであり、シリセンの1.55 meVよりも顕著に大きく、低い対称性とバクルド五重協議がその要因である。
• トポロジカル不変量Z2 = 1が確認され、siliconeetが保護されたエッジ状態を有する2次元トポロジカル絶縁体であり、量子スピンホール効果の応用に適していることが示された。
• フォノン分散および分子動力学シミュレーションから、動的および熱的安定性が確認され、実験的実現可能性が支持された。