[論文レビュー] Strain engineered direct-indirect band gap transition and its mechanism in 2D phosphorene

Xihong Peng, Andrew Copple+1 more|arXiv (Cornell University)|Mar 15, 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2次元ブラックリンの応力誘起直接帯ギャップ〜間接帯ギャップ遷移を調査した。特に、Zigzag方向における−2%の圧縮応力が直接〜間接遷移を引き起こすことが判明し、5つの異なる応力領域が特定された。このメカニズムは軌道混合の変化に関連しており、有効質量は遷移境界で急激に変化し、キャリア輸送特性のチューニングが可能である。

ABSTRACT

Recently fabricated two dimensional (2D) phosphorene crystal structures have demonstrated great potential in applications of electronics. In this work, strain effect on the electronic band structure of phosphorene was studied using first principles methods. It was found that phosphorene can withstand a surface tension and tensile strain up to 10 N/m and 30%, respectively. The band gap of phosphorene experiences a direct-indirect-direct transition when axial strain is applied. A moderate -2% compression in the zigzag direction can trigger this gap transition. With sufficient expansion (+11.3%) or compression (-10.2% strains), the gap can be tuned from indirect to direct again. Five strain zones with distinct electronic band structure were identified and the critical strains for the zone boundaries were determined. The origin of the gap transition was revealed and a general mechanism was developed to explain energy shifts with strain according to the bond nature of near-band-edge electronic orbitals. Effective masses of carriers in the armchair direction are an order of magnitude smaller than that of the zigzag axis indicating the armchair direction is favored for carrier transport. In addition, the effective masses can be dramatically tuned by strain, in which its sharp jump/drop occurs at the zone boundaries of the direct-indirect gap transition.

研究の動機と目的

• 機械的応力下におけるブラックリンの電子的応答を理解すること。
• 直接帯ギャップ〜間接帯ギャップ遷移を誘起する臨界応力閾値を特定すること。
• 軌道混合に基づく帯ギャップ進化の背後にあるメカニズムを解明すること。
• 応力依存の有効質量を定量的に評価し、キャリア輸送への影響を明らかにすること。

提案手法

• 2次元ブラックリンの電子的バンド構造を、一軸応力下でモデル化するために第一原理密度汎関数理論（DFT）計算が用いられた。
• 異方的力学的および電子的応答を調査するために、Zigzag方向およびArmchair方向に応力を印加した。
• 伝導帯最小値と価電子帯最大値のエネルギー差を追跡することで、帯ギャップの進化を分析した。
• 軌道混合解析を用いて、応力下でのエネルギーシフトおよび帯ギャップ遷移の起源を説明した。
• キャリア移動度の傾向を評価するために、Zigzag方向およびArmchair方向に沿った有効質量テンソルを計算した。
• 臨界応力値に基づき、特徴的なバンド構造を示す5つの異なる応力領域が特定された。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 どのような応力条件がブラックリンにおける直接〜間接帯ギャップ遷移を誘起するか？
• RQ2 一軸応力はブラックリンの電子的バンド構造および軌道性質にどのように影響を与えるか？
• RQ3 応力下で観察された帯ギャップ遷移の物理的メカニズムは何か？
• RQ4 応力は、異なる結晶方位に沿ったキャリアの有効質量にどのように影響を与えるか？
• RQ5 応力工学を用いることで、間接的から直接的帯ギャップへ、そして再び元に戻す可逆的チューニングが可能か？

主な発見

• ブラックリンは、構造的破壊の前に最大30%の引張応力および10 N/mの表面張力に耐えることができる。
• Zigzag方向における−2%の圧縮応力が、直接〜間接帯ギャップ遷移を引き起こす。
• +11.3%または−10.2%の応力で、間接的帯ギャップから再び直接的帯ギャップに戻るため、可逆的チューニングが可能である。
• 臨界応力閾値で区切られた、特徴的な電子的構造を示す5つの異なる応力領域が特定された。
• Armchair方向の有効質量はZigzag方向に比べて1桁小さいため、Armchair方向に高いキャリア移動度が期待できる。
• 有効質量の急激なジャンプまたは低下が、直接〜間接遷移領域の境界で正確に観察された。