[論文レビュー] SnSe monolayer: Super-flexible, auxetic material with ultralow lattice thermal conductivity and ultrahigh hole mobility

Lichuan Zhang, Guangzhao Qin+5 more|arXiv (Cornell University)|May 18, 2015

2D Materials and Applications参考文献 53被引用数 6

ひとこと要約

本研究は、モノレイヤーSnSeが1.45 eVの間接バンドギャップを示し、3 Wm⁻¹K⁻¹未満の超低熱伝導率、および非常に高いホール移動度（約10,000 cm²V⁻¹s⁻¹）を有する超柔軟性で、アUXETIC半導体であることを明らかにした。その機械的柔軟性、熱絶縁性、および高効率キャリア移動度の独自の組み合わせに加え、応力で調整可能な電子的性質を有するため、ナノメカニクス、熱電、およびオプトエレクトロニクス分野における応用に有望な2次元材料であると位置づけられる。

ABSTRACT

By performing extensive first-principles calculations, we found that SnSe monolayer is an indirect band gap 1.45 eV semiconductor with many outstanding properties, including a large negative Poisson's ratio of -0.17, a very low lattice thermal conductivity below 3 Wm-1K-1, and a high hole mobility of order 10000 cm2V-1S-1. In contrast to phosphorene with similar hinge-like structure, SnSe monolayer has unexpectedly symmetric phonon and electronic structures, and nearly isotropic lattice thermal conductivity and carrier effective mass. However, the electronic responses to strain are sensitive and anisotropic, leading to indirect-direct band gap transitions under a rather low stress below 0.5 GPa and a highly anisotropic carrier mobility. These intriguing properties make monolayer SnSe a promising two-dimensional material for nanomechanics, thermoelectrics, and optoelectronics.

研究の動機と目的

• 第一原理計算を用いて、モノレイヤーSnSeの電子的・熱的・機械的性質を調査すること。
• リンパチックな原子構造が、ホルミンおよび電子的挙動に与える影響を、ブラックケンのような類似した2次元材料と比較して理解すること。
• ナノメカニクス、熱電、およびオプトエレクトロニクス分野における応用可能性を評価すること。
• 電子バンド構造およびキャリア移動度の応力依存的変化を調査すること。

提案手法

• 電子的および構造的性質の計算に、一般化勾配近似（GGA）を用いた密度汎関数理論（DFT）を採用した。
• フォノン分散および格子熱伝導率の計算に、ワンニエール補間法を用いた。
• 変形ポテンシャル理論を用いてキャリア有効質量およびホール移動度を計算した。
• 電子的バンド構造および輸送特性の応力応答を調査するため、最大0.5 GPaの単軸ひずみを適用した。
• アUXETIC行動および機械的異方性を評価するため、ポisson比を分析した。
• 対称性および異方性の違いを強調するために、フォノンおよび電子構造をブラックケンと比較した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 モノレイヤーSnSeの格子熱伝導率はどの程度であり、他の2次元半導体と比較してどう異なるか？
• RQ2 モノレイヤーSnSeの電子的バンド構造は、低レベルの単軸ひずみに対してどのように応答するか？
• RQ3 モノレイヤーSnSeの内在的ホール移動度はどの程度で、キャリア輸送はどの程度異方的か？
• RQ4 モノレイヤーSnSeはアUXETIC行動を示すか？そのポisson比はどの程度か？
• RQ5 同じような構造モチーフを有するにもかかわらず、モノレイヤーSnSeのフォノンおよび電子構造はブラックケンとどのように異なるか？

主な発見

• モノレイヤーSnSeは1.45 eVの間接バンドギャップを示し、半導体としての性質が確認された。
• 大きな負のポisson比（-0.17）を示しており、強力なアUXETIC行動および超柔軟性を示している。
• 格子熱伝導率は3 Wm⁻¹K⁻¹未満であり、優れた熱絶縁体である。
• ホール移動度は約10,000 cm²V⁻¹s⁻¹に達しており、高効率なキャリア輸送を示している。
• 0.5 GPa未満の単軸ひずみ下では、バンドギャップが間接的から直接的へと遷移し、可変なオプトエレクトロニクス応答が可能になる。
• ヘッジのような構造を有するにもかかわらず、フォノンおよびキャリア有効質量はほぼ等方的であり、ブラックケンにおける強い異方性とは対照的である。