[論文レビュー] Strain Modulated Electronic and Optical Properties of Laterally Stitched MoSi2N4/XSi2N4 (X=W, Ti) 2D Heterostructures

Ghulam Hussain, Mumtaz Manzoor+5 more|arXiv (Cornell University)|May 18, 2022

2D Materials and Applications参考文献 81被引用数 27

ひとこと要約

本研究では、第一原理計算を用いて、ラテラルステッチングされたMoSi2N4/WSi2N4 (MWLH) およびMoSi2N4/TiSi2N4 (MTLH) 2次元ヘテロ構造の電子的および光学的性質が、両軸ひずみによって効果的に調整可能であることを示した。主な発見は、圧縮ひずみがMWLHで直接ギャップ遷移を誘発することであり、ナノスケールデバイス応用における可変的なオプトエレクトロニクス行動を可能にする。

ABSTRACT

We used first-principles calculations to investigate the laterally stitched monolayered MoSi2N4/XSi2N4 (X=W, Ti) 2D heterostructures. The structural stability of such heterostructures is confirmed by the phonon spectra exhibiting no negative frequencies. From the electronic band structures, the MoSi2N4/WSi2N4-lateral heterostructure (MWLH) shows semiconducting nature with an indirect bandgap of 2.35 eV, while the MoSi2N4/TiSi2N4-lateral heterostructure (MTLH) revealed metallic behavior. Moreover, the effect of biaxial strain on the electronic and optical properties of MWLH is studied, which indicated substantial modifications in their electronic and optical spectra. In particular, an indirect to direct bandgap semiconducting transition can be achieved in MWLH via compressive strain. Besides, the absorbance, transmittance and reflectance spectra can effectively be tuned by means of biaxial strain. Our findings provide insights into the strain engineering of electronic and optical features, which could pave the way for future nano- and optoelectronic applications.

研究の動機と目的

• ラテラルステッチングされたMoSi2N4/XSi2N4 (X=W, Ti) 2次元ヘテロ構造の構造的安定性および電子的性質を調査すること。
• 両軸ひずみがこれらのヘテロ構造の電子的バンド構造および光学的応答に与える影響を調査すること。
• ひずみがMoSi2N4/WSi2N4系において間接ギャップから直接ギャップへの遷移を誘発できるかどうかを特定すること。
• 今後のナノおよびオプトエレクトロニクスデバイスにおけるひずみ工学的2次元ヘテロ構造の基盤を提供すること。

提案手法

• 密度汎関数理論（DFT）およびプロジェクター付加重波（PAW）法を用いたビエナ・アビ・イニチオ・シミュレーション・パッケージ（VASP）を用いた第一原理計算。
• 動的安定性を確認するため、4×4×1スーパーセルを用いてPHONOPYコードによるフォノン分散計算を実施。
• 光学的性質はランダム位相近似（RPA）を用いて計算し、2次元光学的伝導度σ2D(ω)に変換して吸収度、透過度、反射率を導出。
• マクスウェルの方程式と関係式σ̃(ω) = σ2D(ω)/ε₀cを用いて、正規化された吸収度、透過度、反射度を計算。
• バンド構造および光学スペクトルへの影響を調査するため、±5%の範囲で両軸ひずみを適用。
• スピン-軌道結合を組み込み、スピン分裂およびバルク依存性の電子状態への影響を評価。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 両軸ひずみ下で、ラテラルステッチングされたMoSi2N4/WSi2N4およびMoSi2N4/TiSi2N4 2次元ヘテロ構造は動的安定性を示すか？
• RQ2 両軸ひずみは、MoSi2N4/WSi2N4ヘテロ構造の電子的バンド構造にどのように影響を与えるか？
• RQ3 両軸ひずみは、MoSi2N4/WSi2N4ラテラルヘテロ構造において、間接ギャップから直接ギャップへの遷移を誘発できるか？
• RQ4 光学的性質（吸収度、透過度、反射率）は、どの程度ひずみによって調整可能か？
• RQ5 スピン-軌道結合は、これらのヘテロ構造におけるフェルミ準位近傍の電子状態にどのように寄与するか？

主な発見

• MoSi2N4/WSi2N4ラテラルヘテロ構造（MWLH）は、未ひずみ状態で間接ギャップが2.35 eVの半導体的性質を示す。
• MoSi2N4/TiSi2N4ラテラルヘテロ構造（MTLH）は、未ひずみ状態で金属的挙動を示し、ギャップが存在しない。
• -5%の圧縮ひずみを加えると、MWLHで直接ギャップ遷移が誘発され、ギャップは2.35 eVから約1.69 eVに減少する。
• MWLHの第一吸収ピークは、未ひずみ状態で2.25 eV（未ひずみ）から5%引張ひずみでは1.68 eVに赤方シフトし、5%圧縮ひずみでは2.84 eVに青方シフトする。
• 光学的吸収度、透過度、反射率スペクトルは、両軸ひずみによって効果的に調整可能であり、未ひずみ状態では1.5 eVを超える領域で吸収度が増加し、1.5 eVまで透過度が100%を超える。
• スピン-軌道結合により、価電子帯のK点で125 meVのスピン分裂が誘発され、両軸ひずみ下でも安定しており、バルクトロニクス応用への可能性を示唆する。