[論文レビュー] Semiconductor to Metal Transition, Dynamical Stability and Superconductivity of Strained Phosphorene

G. Q. Huang, Zhongwen Xing|arXiv (Cornell University)|Sep 25, 2014

2D Materials and Applications被引用数 4

ひとこと要約

本研究では、第一原理計算を用いて、二層ブラックリン（BLP）における垂直方向のひずみおよび層間距離の調整が、半導体から金属への転移を引き起こし、強化された電子-フォノン結合を示す動的相を安定化させることを示した。主な発見は、層間距離を 0.7d₀ に縮小することで、強い層間ファンデルワールス相互作用が顕著に向上し、予測される臨界温度（Tc）が約10 Kに達する可能性があるため、BLPが有望なBCS超伝導体となり得ることである。

ABSTRACT

Very recently, field-effect transistors based on few-layer phosphorene crystals with thickness down to a few nanometres have been successfully fabricated, triggering interest in this new functional two-dimensional material. In this work, we apply the first-principles calculations to studying the evolution of electronic structures and lattice dynamics with vertical strain for monolayer and bilayer phosphorenes. It is found that, by changing the thickness of phosphorene or the strain applied on it, its band gap width can be well tuned, and there will appear a transition from semiconductor to metal. In particular, the bilayer phosphorene may become a good BCS superconductor by adjusting the interlayer distance, in which the interlayer van der Waals coupling is favorable to the dynamical stability against strain.

研究の動機と目的

• 垂直ひずみ下におけるモノレイヤーおよび二層ブラックリンの電子的および振動的応答を調査すること。
• ひずみを加えたブラックリンの動的安定性の限界を特定し、モノレイヤーおよび二層系を比較すること。
• 層間距離の調整によって二層ブラックリンにおける超伝導の可能性を探ること。
• ファンデルワールス相互作用が二層ブラックリンにおける金属的および超伝導的相の安定化に果たす役割を理解すること。

提案手法

• Quantum-ESPRESSOパッケージに内蔵されたPWSCFプログラムを用いた第一原理密度汎関数理論（DFT）計算。
• 超ソフトポテンシャルおよびGGA-PBE交換相関関数を用い、平面波カットオフエネルギーを30 Ryに設定。
• 層間相互作用を正確にモデル化するため、DFT-D2法によるファンデルワールス補正を導入。
• 動的マトリクスおよびフォノン分散関係を計算するために線形応答理論を適用。
• エリアシブ・スペクトル関数 α²F(ω) および自己無撞着EP行列要素を用いて電子-フォノン結合を計算。
• μ* = 0.1 として、アレン＝ドライブ変更McMillan式を用いて超伝導転移温度 Tc を推定。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 垂直ひずみはモノレイヤーおよび二層ブラックリンのバンドギャップおよび電子構造にどのように影響するか？
• RQ2 垂直ひずみ下におけるモノレイヤーおよび二層ブラックリンの動的安定性の範囲は何か？
• RQ3 層間距離の調整は、二層ブラックリンにおける電子-フォノン結合および超伝導の可能性にどのように影響するか？
• RQ4 層間ファンデルワールス相互作用は、二層ブラックリンにおける金属的および超伝導的相の安定化に果たす役割は何か？

主な発見

• 二層ブラックリンのバンドギャップは、層間距離が 0.85d₀ に達する時点で閉じ、半導体から金属への転移を示している。
• 層間距離が 0.65d₀ 以下に縮小されると、二層ブラックリンは動的不安定化し、0.65d₀ < d < 0.85d₀ の範囲に安定した金属的相が存在することを示している。
• エリアシブ・スペクトル関数 α²F(ω) は、層間距離が減少するにつれて低周波数フォノンモードの強化を示しており、電子-フォノン結合が強化されていることを示している。
• 電子-フォノン結合定数 λ は、d = 0.7d₀ で著しく 1.45 に増加し、超伝導ペアリングが強化されている。
• d = 0.7d₀ における予測される超伝導転移温度 Tc は約10 Kに達し、二層ブラックリンが優れたBCS超伝導体となり得ることを示している。
• 層間ファンデルワールス相互作用のおかげで、垂直ひずみ下における二層ブラックリンの動的安定性範囲は、モノレイヤーのそれよりも広い。