[論文レビュー] Strain-tunable band gap of a monolayer graphene analogue of ZnS monolayer

Harihar Behera, Goutam Mukhopadhyay|arXiv (Cornell University)|Oct 10, 2012

2D Materials and Applications参考文献 11被引用数 4

ひとこと要約

本研究では、グラフェン様のヘキサゴナル格子を有するモノレイヤーZnS構造に面内二軸引張ひずみを加えることで、機械的に調整可能なバンドギャップが誘導されることを予測している。バンドギャップはひずみの増加に従って線形に減少し、2.645% から 3.171% の引張ひずみの間で直接ギャップから間接ギャップへの遷移が発生する。これにより、2次元半導体材料における電子的性質のひずみ工学的制御が可能になる。

ABSTRACT

Using first-principles full-potential density functional calculations, we predict that mechanically tunable band-gap is realizable in ZnS monolayer in graphene-like honeycomb structure by application of in-plane homogeneous biaxial strain. A transition point from direct-to-indirect gap-phase is predicted to exist for biaxial tensile strain lying in the interval (2.645%, 3.171%). In the two gap-phases, the band gap decreases with increasing strain and varies linearly with strain.

研究の動機と目的

• 面内二軸ひずみを受けるグラフェン様ヘキサゴナル格子を有するモノレイヤーZnSの電子的バンド構造を調査すること。
• この2次元材料において、ひずみを用いてバンドギャップを調整可能かどうかを特定すること。
• 直接ギャップから間接ギャップへの遷移が発生するひずみ範囲を同定すること。
• バンドギャップの変化と適用された二軸ひずみとの間の線形依存関係を分析すること。

提案手法

• モノレイヤーZnSの電子的構造をモデル化するために、第一原理的フルポテンシャル密度汎関数理論（DFT）計算が用いられた。
• 機械的チューナビリティを調査するために、一様な面内二軸ひずみを広い範囲のひずみ値に対して体系的に適用した。
• 各ひずみレベルでバンド構造および状態密度を計算し、バンドギャップとその性質の変化を評価した。
• 伝導帯最小値と価電子帯最大値のエネルギー差を分析することで、直接ギャップと間接ギャップの遷移点を同定した。
• バンドギャップとひずみのデータに対して線形フィッティングを適用し、線形変化傾向の妥当性を確認した。
• 標準的な交換相関関数および電子的構造収束のための収束基準を用いて計算を検証した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 グラフェン様ヘキサゴナル格子を有するモノレイヤーZnSにおいて、機械的ひずみが可変バンドギャップを誘導できるか？
• RQ2 この系においてバンドギャップが直接ギャップから間接ギャップへ遷移するのはどのひずみレベルか？
• RQ3 増加する二軸引張ひずみに伴いバンドギャップはどのように変化するか？
• RQ4 この研究範囲内でバンドギャップの変化はひずみに対して線形的か？
• RQ5 直接ギャップから間接ギャップへの遷移の臨界ひずみ範囲は何か？

主な発見

• グラフェン様ヘキサゴナル格子を有するモノレイヤーZnSは、面内二軸ひずみを加えることで機械的に調整可能なバンドギャップを実現可能である。
• 研究範囲内で、バンドギャップは増加する二軸引張ひずみに従って線形に減少する。
• 直接ギャップから間接ギャップへの遷移は、2.645% から 3.171% の引張ひずみの間で発生する。
• 研究範囲全体でバンドギャップは有限のままであり、調整可能である。
• バンドギャップとひずみの間の線形依存関係は、機械的変形による予測可能で制御可能な電子的エンジニアリングを示唆している。
• 直接ギャップから間接ギャップへの遷移を予測したひずみ範囲は、ひずみに敏感な2次元オプトエレクトロニクス素子の設計に道筋を提供する。