[論文レビュー] Strain-tunable direct band gap of ZnO monolayer in graphene-like honeycomb structure

Harihar Behera, Goutam Mukhopadhyay|arXiv (Cornell University)|Nov 28, 2011

2D Materials and Applications参考文献 2被引用数 5

ひとこと要約

本研究では、密度汎関数理論（LDA）を用いて、グラフェン様のヘキサゴナル格子構造を有するモノレイヤーZnOにおける歪み工学を調査した。面内等方的圧縮歪み（±10%）を加えることで、直接遷移性を示す強い非線形なバンドギャップのチューニングが可能であることが示された。歪み範囲全域においてもバンドギャップは直接的であり続け、未歪み状態では予測バンドギャップが1.68 eVに達する。これは、NEMSおよびNOMS応用におけるチューナブルなオプトエレクトロニクス素子の実現に有望である。

ABSTRACT

Using full-potential density functional calculations within local density approximation (LDA), we found mechanically tunable band-gap in ZnO monolayer (ML-ZnO) in graphene-like honeycomb structure, by simulated application of in-plane homogeneous biaxial strain. Unstrained ML-ZnO was found to have a direct band gap of energy 1.68 eV within LDA; the actual band gap would be more, since LDA is known to underestimate the gap. Within our simulated strain limit of about plus or minus 10%, the band gap remains direct and shows a strong non-linear variation with strain. The results may find applications in future nano-electromechanical systems (NEMS) and nano-optomechanial systems (NOMS).

研究の動機と目的

• グラフェン様のヘキサゴナル格子構造を有するモノレイヤーZnOの電子バンド構造を、機械的歪みによってチューニングする手法を検討すること。
• 歪みが直接バンドギャップを維持できるかどうかを特定すること。これは、オプトエレクトロニクス素子における効率的な光放出に不可欠である。
• 第一原理計算を用いて、歪み依存のバンドギャップの変化を定量すること。
• 歪みを加えたモノレイヤーZnOをナノ電気機械的システム（NEMS）およびナノ光機械的システム（NOMS）に応用する可能性を評価すること。

提案手法

• モノレイヤーZnOの電子構造をモデル化するために、局所密度近似（LDA）におけるフルポテンシャル密度汎関数理論（DFT）を用いた。
• モノレイヤー格子に、-10% から +10% の範囲でシミュレートされた面内均一な等方的圧縮歪みを適用した。
• さまざまな歪み条件下での電子バンド構造および状態密度を計算した。
• 同じk点における伝導帯最小値と価電子帯最大値を比較することで、バンドギャップの直接性を評価した。
• バンドギャップの計算にLDA関数を用いたが、LDAが真のバンドギャップを低く見積もる傾向にあることに留意した。
• バンドギャップの歪み依存性の非線形性を分析し、チューニング効率を特定した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 グラフェン様のヘキサゴナル格子構造を有するモノレイヤーZnOにおいて、面内等方的圧縮歪みがバンドギャップをチューニングできるか？
• RQ2 適用された歪み下でもバンドギャップが直接的であり続けるか。これは、望ましい光学的特性を維持する上で重要である。
• RQ3 バンドギャップは歪みに対してどの程度変化するか。その変化は線形か非線形か？
• RQ4 未歪み状態におけるバンドギャップの大きさは何か。実験的期待値と比較するとどうなるか？
• RQ5 歪み誘発バンドギャップチューニングのNEMSおよびNOMS応用における意味は何か？

主な発見

• LDAを用いた未歪み状態のグラフェン様ヘキサゴナル格子構造を有するモノレイヤーZnOは、1.68 eVの直接バンドギャップを示すが、LDAのバンドギャップ低減傾向を考慮すると、実際のギャップはこれより大きいと予想される。
• ±10%の歪み範囲内においてもバンドギャップは直接的であり続け、機械的変形下でも構造的および電子的安定性が保たれていることが示された。
• バンドギャップは歪みに対して強い非線形依存性を示し、適用された歪み範囲全域で顕著なチューニングが可能である。
• 結果から、機械的歪みがモノレイヤーZnOのオプトエレクトロニクス的応答を動的に制御するための制御ノブとして利用可能であることが示唆された。
• 歪み下でも直接バンドギャップを維持できるという本システムの能力は、ナノスケールのオプトエレクトロニクスおよび電気機械的デバイスの優れた候補であることを示している。
• 本研究の発見は、将来的なNEMSおよびNOMSアーキテクチャにおける歪みエンジニアリングを施した二次元半導体デバイスの設計に道を開く。