[論文レビュー] Two and one-dimensional honeycomb structures of silicon and germanium

Seymur Cahangirov, Mehmet Topsakal+3 more|arXiv (Cornell University)|Nov 26, 2008

Graphene research and applications被引用数 4

ひとこと要約

本研究では、シリコンとゲルマニウムがグラフェンに類似した安定した低バッキングされた二次元ヘキサゴナル構造を形成可能であり、フェルミ準位における線形バンドクロスイングにより質量ゼロのディラクフェルミオン行動を示すと予測している。第一原理的DFT計算により、フォノン分散関係および有限温度分子動力学シミュレーションを通じて構造的安定性が確認された。ナノリボンでは、サイズおよびエッジ依存の電子的・磁気的性質が示され、可変なバンドギャップおよびスピン極化エッジ状態を有し、新規ナノエレクトロニクス応用が可能となる。

ABSTRACT

Based on first-principles calculations of structure optimization, phonon modes and finite temperature molecular dynamics, we predict that silicon and germanium have stable, two-dimensional, low-buckled, honeycomb structures. Similar to graphene, they are ambipolar and their charge carriers can behave like a massless Dirac fermions due to their pi- and pi*-bands which are crossed linearly at the Fermi level. In addition to these fundamental properties, bare and hydrogen passivated nanoribbons of Si and Ge show remarkable electronic and magnetic properties, which are size and orientation dependent. These properties offer interesting alternatives for the engineering of diverse nanodevices.

研究の動機と目的

• シリコンおよびゲルマニウムの二次元ヘキサゴナル相の構造的安定性および電子的性質を調査すること。
• 低バッキングされたヘキサゴナル構造が、熱的および力学的条件下で安定であるかどうかを特定すること。
• アームチェア型およびジグザグ型ナノリボンの電子的および磁気的挙動、特にエッジの修飾効果を調査すること。
• サイズおよび方位依存の性質に基づいて、今後のナノデバイス応用の可能性を評価すること。

提案手法

• 構造最適化には、LDAを用いた第一原理的密度汎関数理論（DFT）計算を実施し、PAWおよび超ソフト擬ポテンシャルを用いた。
• 動的安定性の評価のため、力定数法および線形応答理論を用いてフォノン分散関係を計算した。
• 有限温度分子動力学シミュレーションを、時間刻み2×10⁻¹⁵ sで実施し、熱的安定性を検証した。
• ナノリボン構造は、幅（1辺あたりn原子）およびエッジ再構成（(2×1)表面再構成を含む）を変化させたモデルを用いた。
• バリアントおよび水素修飾エッジを有するジグザグ型ナノリボンのスピン極化総エネルギーおよび電子構造計算を実施した。
• 反強磁性および強磁性状態における磁気的性質の特徴を調べるため、電荷密度差分解析を実施した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 シリコンおよびゲルマニウムの低バッキングされた二次元ヘキサゴナル構造は、動的および熱的に安定であるか？
• RQ2 これらの2次元構造はフェルミ準位における線形バンドクロスイングを示し、ディラクフェルミオンに類似した電荷キャリアを有するか？
• RQ3 SiおよびGeナノリボンの電子的性質は、幅、エッジの向き（アームチェア型対ジグザグ型）、およびエッジ修飾にどのように依存するか？
• RQ4 ジグザグ型ナノリボンではどのような磁気的基底状態が出現し、水素終末処理によってどのように変化するか？
• RQ5 アームチェア型ナノリボンのバンドギャップは幅の変調によりチューニング可能であり、振動的挙動を示すか？

主な発見

• シリコンの低バッキングヘキサゴナル構造は、バッキング高さ0.44 Åで動的安定であり、すべてのフォノンモードが正の周波数を持つ。
• ゲルマニウムの低バッキングヘキサゴナル構造は、バッキング0.64 Åで安定であるが、波長が7bを超えると横方向音響モードに虚数周波数を示し、大面積フラクタルに不安定性を示す可能性がある。
• 有限温度分子動力学シミュレーションにより、Siでは(4×4)スーパーセルで1000 Kまで、Geでは800 Kまで安定であることが確認され、熱的耐性が裏付けられた。
• SiおよびGeのアームチェア型ナノリボンは、幅に依存する振動的バンドギャップを示し、n=3p+2では小さなギャップ、n=3pおよびn=3p+1では大きなギャップを示す。水素修飾後も同様の傾向が維持された。
• バリアントSiのジグザグ型ナノリボンは非磁性金属的基底状態を示すが、水素修飾により反強磁性および強磁性状態が安定化され、DFT計算では強磁性状態が1 meVだけ安定である。ただし、スピン軌道結合の影響でこの順序が逆転する可能性がある。
• 水素修飾ジグザグ型ナノリボンのエッジ状態は顕著なスピン極化を示し、強磁性状態では磁気モーメントが1.62 μBに達し、低下したエッジ原子上ではモーメントが増幅された。