[論文レビュー] Tellurene-a monolayer of tellurium from first-principles prediction

Zhili Zhu, Chengbin Cai+6 more|arXiv (Cornell University)|May 11, 2016

2D Materials and Applications参考文献 3被引用数 13

ひとこと要約

本研究では、第一原理計算を用いて、テルルの二次元単層であるテルルネ（tellurene）の予測を行った。この構造は交互に配置された四員環とチェア型六員環から構成され、1.04 eVの直接帯ギャップを示し、応力によってキャリア移動度を調整可能であるため、次世代のナノエレクトロニクスおよびオプトエレクトロニクス素子の有望な候補である。

ABSTRACT

A two dimensional (2D) Group-VI Te monolayer, tellurene, is predicted by using the first-principles calculations, which consists of planner four-membered and chair-like six-membered rings arranged alternately in a 2D lattice. The phonon spectra calculations, combined with ab initio molecular dynamics (MD) simulations, demonstrate that tellurene is kinetically very stable. The tellurene shows a desirable direct band gap of 1.04 eV and its band structure can be effectively tuned by strain. The effective mass calculations imply that tellurene should also exhibit a relatively high carrier mobility, e.g. compared with MoS2. The significant direct band gap and the high carrier mobility imply that tellurene is a very promising candidate for a new generation of nanoelectronic devices.

研究の動機と目的

• 元素的テルル（第VIA族の chalcogen）から安定な二次元単層構造が形成可能かどうかを検討すること。
• 予測された2次元テルルネ相の構造的・電子的・動的安定性を調査すること。
• ナノエレクトロニクス応用を想定した、テルルネの電子的バンド構造および有効質量特性を評価すること。
• 機械的応力によるバンドギャップおよびキャリア有効質量の調整可能性を検討すること。
• テルルネが、MoS2 などの既存の2次元半導体材料に比べて優れた性能を示す可能性があるかどうかを特定すること。

提案手法

• 電子的構造計算には、PBE交換相関関数およびPAW擬ポテンシャルを用いた密度汎関数理論（DFT）を採用した。
• 構造的完全最適化は、力が 0.02 eV/Å 未満になるまで、ウィーン第一原理シミュレーション・パッケージ（VASP）を用いて実施した。
• 動的安定性と運動的安定性の評価のため、300 Kおよび1000 Kでのフォノン分散および第一原理分子動力学（MD）シミュレーションを実施した。
• 2次元系におけるファンデルワールス相互作用を考慮するため、DFT-D2法を適用した。
• 有効質量の計算は、伝導帯および価電子帯の極値付近のバンド構造の曲率を用いて行った。
• バンドギャップおよび有効質量の調整可能性を調査するため、等方的および一様な応力をテルルネに印加した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 元素的テルルから安定な二次元単層が存在可能であり、その原子構造は何か？
• RQ2 予測されたテルルネ相は、熱的フラクチュエーション下でも動的安定性を示すか？
• RQ3 テルルネの電子的バンド構造は何か？光エレクトロニクス応用に適した直接帯ギャップを示すか？
• RQ4 機械的応力は、テルルネのバンドギャップおよびキャリア有効質量にどのように影響を与えるか？
• RQ5 テルルネは、MoS2 などの既存の2次元半導体材料に比べ、キャリア移動度および調整可能性の面で優れているか？

主な発見

• テルルネは、平面的四員環とチェア型六員環が交互に配置された安定な2次元構造を有することが予測された。
• フォノンスペクトルおよび第一原理MDシミュレーションにより、テルルネは室温およびそれ以上の温度でも運動的安定性を示すことが確認された。
• 単層は1.04 eVの直接帯ギャップを示し、光子およびオプトエレクトロニクス応用に好適である。
• 等方的または一様な応力を印加することで、テルルネのバンドギャップは効果的に調整可能であり、圧縮応力下では直接帯ギャップから間接帯ギャップに遷移する。
• 圧縮応力下では電子有効質量が著しく低下し、−10%の応力で最小値0.36 m₀に達するため、高いキャリア移動度の可能性を示している。
• ホール有効質量についても調整可能であり、等方的圧縮応力下では0.83 m₀から0.36 m₀に低下するため、応力下で輸送特性が向上することが示唆された。