[論文レビュー] Quasiparticle band alignment and stacking-independent exciton in MA$_2$Z$_4$ (M = Mo, W, Ti; A= Si, Ge; Z = N, P, As)

Hongxia Zhong, Guangyong Zhang+2 more|arXiv (Cornell University)|Jul 9, 2022

2D Materials and Applications被引用数 5

ひとこと要約

本研究では、ab initio GWおよびBethe-Salpeter方程式計算を用いて、モノレイヤー MA₂Z₄ (M = Mo, W, Ti; A = Si, Ge; Z = N, P, As) がDFTが予測するよりも顕著に大きな準粒子バンドギャップを示すことが明らかになった。バンド配置は両手法間で保持されている。特に、MoSi₂N₄/WSi₂N₄ヘテロ構造における層内励起子は、スタッキングに依存しない光学的性質を示す一方、電子・正孔の重なりが無視できるほど小さいため、層間励起子は暗い性質を示し、2次元ヘテロ構造における頑健でチューニング可能なオプトエレクトロニクス挙動を実現する。

ABSTRACT

Motivated by the recently synthesized two-dimensional semiconducting MoSi$_2$N$_4$, we systematically investigate the quasiparticle band alignment and exciton in monolayer MA$_2$Z$_4$ (M = Mo, W, Ti; A= Si, Ge; Z = N, P, As) using ab initio GW and Bethe-Salpeter equation calculations. Compared with the results from density functional theory (DFT), our GW calculations reveal substantially more significant band gaps and different absolute quasiparticle energy but predict the same types of band alignments.

研究の動機と目的

• 高精度多体技法を用いて、モノレイヤー MA₂Z₄ (M = Mo, W, Ti; A = Si, Ge; Z = N, P, As) の準粒子バンド配置および励起子的性質を特定すること。
• MA₂Z₄ヘテロ構造における環境スクリーニング効果が準粒子バンド配置に与える影響を評価すること。
• モアレスーパーラティスのスタッキング配置がMoSi₂N₄/WSi₂N₄二重層における励起子状態に与える影響を調査すること。
• スターッキング変動に対して頑健である層内励起子の性質を確立し、2次元オプトエレクトロニクス素子の設計原理を提示すること。

提案手法

• 標準的DFTを超える自己エネルギー効果を補正するため、多体GW近似を用いて準粒子バンド構造およびバンドギャップを計算した。
• 電子・正孔相互作用からの励起子結合エネルギーおよび光学遷移強度を計算するために、Bethe-Salpeter方程式（BSE）を適用した。
• モアレスーパーラティスを模擬するため、3種類の異なるスタッキング配置（AA、AB、AC）を有するMoSi₂N₄/WSi₂N₄ヘテロ構造を構築した。
• 絶対的準粒子バンド端エネルギーを推定し、DFTとGW結果の整合性を検証するために、バンドギャップ中心モデルを用いた。
• 環境スクリーニング効果を評価するため、自由状態および基板封止状態の両方で計算を実施した。
• 励起子波動関数および双極子オシレーター強度を分析し、層間および層内励起子の明るさ（明・暗）を特定した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 GW計算とDFT計算との間で、MA₂Z₄における準粒子バンドギャップおよびバンド配置にはどのような相違が生じるか？
• RQ2 基板からの環境スクリーニング効果が、MA₂Z₄ヘテロ構造における準粒子バンド配置にどの程度影響を及えるか？
• RQ3 モアレスーパーラティスのスターッキング配置が、MoSi₂N₄/WSi₂N₄二重層における励起子のエネルギーおよびオシレーター強度に与える影響は何か？
• RQ4 MA₂Z₄ヘテロ構造における層内励起子はスターッキングの変動に対して頑健であるか？その光学活性の決定要因は何か？
• RQ5 これらの2次元系における層間励起子の明るさを決定づける電子・正孔波動関数の重なりの役割は何か？

主な発見

• GW計算では、DFT値よりも顕著に大きな準粒子バンドギャップが予測され、絶対的準粒子エネルギーは顕著に異なるが、バンド配置の種類は両手法で一致している。
• バンドギャップ中心モデルは、MA₂Z₄における絶対的準粒子バンド端エネルギーを正確に予測でき、バンド配置の傾向を特定する手法としての有効性が裏付けられた。
• 基板からの環境スクリーニング効果は、バンド端エネルギーに約0.15 eVのシフトと、準粒子バンドギャップの約4％の減少を引き起こすにとどまり、基板効果に対して弱い感受性を示した。
• MoSi₂N₄/WSi₂N₄ヘテロ構造における層内励起子は、すべてのスターッキング配置（AA、AB、AC）においてほぼ同一のオシレーター強度（10²〜10³オーダー）とエネルギーを示し、スターッキングに依存しない性質を示した。
• 層間励起子は電子・正孔の空間的重なりが無視できるほど小さいため、暗い性質を示し、結合エネルギーはAAで472 meV、ABで386 meV、ACで577 meVであり、準粒子バンドギャップの傾向と整合的であった。
• 最低エネルギー励起子（X₁、2.327 eV）はMoSi₂N₄のVBM-1からCBMへの遷移に起因し、主にKおよびK′点付近に重みが集中しており、層内かつ明るい性質であることが確認された。