[論文レビュー] Ultra-high mechanical stretchability and controllable topological phase transitions in two-dimensional arsenic

Ming Yang, Wu-Ming Liu|arXiv (Cornell University)|Jan 18, 2015

Topological Materials and Phenomena参考文献 27被引用数 3

ひとこと要約

本論文は、超高機械的延性（アームチェア方向で44%のひずみ）と記録的なポアソン比1.049を示す、新規の二次元的溝状のヒ素（アージェネン）を提案する。外部のひずみによりトポロジカル相転移が誘発され、ロバストなスピン偏極状態を示すエッジ状態を有するトポロジカル絶縁体に変化し、無損失トランジスターやスピンバルブなどの柔軟スピントロニクス素子への応用が可能になる。

ABSTRACT

The mechanical stretchability is the magnitude of strain which a material can suffer before it breaks. Materials with high mechanical stretchability, which can reversibly withstand extreme mechanical deformation and cover arbitrary surfaces and movable parts, are used for stretchable display devices, broadband photonic tuning and aberration-free optical imaging. Strain can be utilised to control the band structures of materials and can even be utilised to induce a topological phase transition, driving the normal insulators to topological non-trivial materials with non-zero Chern number or Z2 number. Here, we propose a new two-dimensional topological material with ultra-high mechanical stretchability - the ditch-like 2D arsenic. This new anisotropic material possesses a large Poisson's ratio 1.049, which is larger than any other reported inorganic materials and has a ultra-high stretchability 44% along the armchair direction, which is unprecedent in inorganic materials as far as we know. Its minimum bend radius of this material can be as low as 0.66 nm, which is comparable to the radius of carbon-nanotube. Such mechanical properties make this new material be a stretchable semiconductor which could be used to construct flexible display devices and stretchable sensors. Axial strain will make a conspicuous affect on the band structure of the system, and a proper strain along the zigzag direction will drive the 2D arsenic into the topological insulator in which the topological edge state can host dissipation-less spin current and spin transfer toque, which are useful in spintronics devices such as dissipation transistor, interconnect channels and spin valve devices.

研究の動機と目的

• 伸縮性に優れ、高いポアソン比を示す2次元材料の発見を目的とし、伸縮性エレクトロニクスに応用可能とする。
• ひずみが2次元ヒ素にトポロジカル相転移を誘発できるかどうかを調査し、新たなスピントロニクス機能を実現可能とする。
• 機械的歪みおよび熱的揺らぎ下での提案された2次元ヒ素の構造的および動的安定性を評価する。
• ひずみを用いて柔軟な2次元半導体のトポロジカル性質を逆転可能に制御できるかを実証する。
• 本新素材の実験的合成および特性評価のロードマップを提供する。

提案手法

• 電子的および構造的性質の最適化に、GGA-PBE関数を用いた第一原理密度汎関数理論（DFT）計算を実施し、400 eVのエネルギーカットオフを設定した。
• 可変セルリラクゼーションおよび共役勾配法を用いて、原子の力が0.001 eV/Å未満となるように構造的安定性を確保した。
• フォノン分散および有限温度分子動力学（300 Kおよび30 K）を4×4スーパーセル（64原子）を用いて実施し、動的安定性を確認した。
• アームチェア方向およびジグザグ方向に沿った軸方向ひずみを適用し、バンド構造のチューニングおよびトポロジカル相転移の誘発を実施した。
• バンド構造からトポロジカル不変量（Z2およびチーン数）を評価し、トポロジカル絶縁体相の特定を実施した。
• 曲率指数Nを有するナノチューブ状の湾曲構造をモデル化し、機械的柔軟性を評価した。自由エネルギーおよびバンド構造を曲率関数として分析した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 2次元ヒ素同素体は、超高機械的延性および異常な高いポアソン比を示すことができるか？
• RQ2 2次元ヒ素は、構造的破壊を来さずに耐えられる最大ひずみおよび最小曲げ半径は何か？
• RQ3 軸方向ひずみが2次元ヒ素にトポロジカル相転移を誘発し、トポロジカル絶縁体に変化させることができるか？
• RQ4 ひずみは2次元ヒ素のバンド構造および電子ギャップにどのように影響を与えるか？
• RQ5 湾曲した2次元ヒ素ナノチューブにおいて、曲率、自由エネルギー、構造的安定性の関係は何か？

主な発見

• 溝状の2次元ヒ素（アージェネン）は、既知の無機材料を上回る記録的なポアソン比1.049を示した。
• アームチェア方向に44%の超高機械的延性を示し、極めて高い柔軟性を実現した。
• 最小曲げ半径は0.66 nmにまで低下し、カーボンナノチューブと同等の優れた柔軟性を示した。
• ジグザグ方向への軸方向ひずみにより、層間距離3.28 Åでバンド反転が誘発され、物質がトポロジカル絶縁体に変化した。
• バンドギャップが3.71 Åで閉じ、3.28 Åで反転する段階で、非ゼロのトポロジカル不変量により、トポロジカル絶縁体に転移したことが確認された。
• 曲率≤1.52 nm⁻¹（N ≥ 8）のナノチューブ構造は動的安定性を維持したが、より高い曲率（N ≤ 7）では虚数のフォノン周波数が観測され、不安定性を示した。