[論文レビュー] Vertical Strain-Induced Modification of the Electrical and Spin Properties of Monolayer MoSi2X4 (X= N, P, As and Sb)

Shoeib Babaee Touski, Nayereh Ghobadi|arXiv (Cornell University)|Jun 13, 2021

2D Materials and Applications被引用数 9

ひとこと要約

本研究では、モノレイヤーMoSi2X4 (X = N, P, As, Sb)における垂直ひずみの制御を用いて、その電気的およびスピン特性を調整する手法を検討する。密度汎関数理論（DFT）をスピン軌道結合を含めて用いた結果、垂直ひずみにより、小さな引張ひずみで最大のバンドギャップが得られ、圧縮ひずみではバンドギャップが減少することが示された。また、特にMoSi2Sb4のような重い chalcogenides では、価電子帯のK点で最大220 meVに達する大きなスピン分裂が可能となり、両帯におけるスピン分裂の制御が可能になる。

ABSTRACT

In this work, the electrical and spin properties of monolayer MoSi2X4 (X= N, P, As, and Sb) under vertical strain are investigated. The band structures state that MoSi2N4 is an indirect semiconductor, whereas other compounds are direct semiconductors. The vertical strain has been selected to modify the electrical properties. The bandgap shows a maximum and decreases for both tensile and compressive strains. The valence band at K-point displays a large spin-splitting, whereas the conduction band has a negligible splitting. On the other hand, the second conduction band has a large spin-splitting and moves down under vertical strain which leads to a large spin-splitting in both conduction and valence bands edges. The projected density of states along with the projected band structure clarifies the origin of these large spin-splittings. These three spin-splittings can be controlled by vertical strain.

研究の動機と目的

• モノレイヤーMoSi2X4 (X = N, P, As, Sb)における垂直ひずみの電子的およびスピン特性に与える影響を調査すること。
• ひずみがこれらの2次元半導体におけるバンドギャップ、バンド端の位置、有効質量にどのように影響するかを特定すること。
• 価電子帯および伝導帯におけるK点でのスピン分裂の起源とその可変性を調査すること。
• バンドギャップが閉じるひずみおよび圧力（半導体-金属転移の臨界点）を特定すること。
• Moのd軌道、XおよびSiのp軌道がスピン分裂およびバンド構造に与える寄与を分析すること。

提案手法

• スピン軌道結合（SOC）を含めた密度汎関数理論（DFT）計算を、SIESTAパッケージを用いて、交換相関効果にPBE関数を用いて実施。
• スピントロニクス特性におけるスピン分裂効果を正確にモデル化するため、スピン軌道結合（SOC）を組み込む。
• 垂直ひずみ（-22% ～ +22%）を適用し、層間距離および電子構造を体系的に調整。
• バンドの寄与を特定するため、投影密度状態（PDOS）および投影バンド構造の計算を実施。
• ひずみ下でのバンドギャップの変化、有効質量、および価電子帯および伝導帯のK点におけるスピン分裂の分析。
• 電子局在および結合性質を検討するため、電荷密度解析を実施。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 垂直ひずみは、モノレイヤーMoSi2X4 (X = N, P, As, Sb)におけるバンドギャップおよびバンド端の配置にどのように影響するか？
• RQ2 価電子帯および伝導帯に顕著なスピン分裂が生じる理由は何か？また、Moのd軌道、Xのp軌道、Siのp軌道の寄与は、そのスピン分裂にどのように影響するか？
• RQ3 圧縮ひずみおよび引張ひずみ下で、価電子帯および伝導帯のK点におけるスピン分裂はどのように変化するか？
• RQ4 半導体-金属転移が発生するひずみはどの程度か？また、X元素の種類によってこの転移ひずみはどのように変化するか？
• RQ5 垂直ひずみを用いることで、これらの2次元材料における電気的およびスピン特性を同時に制御できるか？

主な発見

• MoSi2N4はΓ（価電子帯）からK（伝導帯）への間接バンドギャップを示すが、MoSi2P4、MoSi2As4、MoSi2Sb4はK点で直接バンドギャップを示す半導体である。
• バンドギャップは、わずかな引張ひずみ（約+5%）で最大値に達し、圧縮ひずみおよび大きな引張ひずみでは減少し、MoSi2P4、MoSi2As4、MoSi2Sb4では約-10%の圧縮ひずみでバンドギャップが閉じる。
• MoSi2N4は-22%のより大きな転移ひずみと25.3 GPaの高い転移圧力を示す一方、他の化合物は7.3–9.1 GPaの範囲である。
• MoSi2Sb4では、K点における価電子帯に顕著なスピン分裂（最大220 meV）が観察され、X元素が重くなるにつれてスピン軌道結合が強化され、スピン分裂が増大する。
• 第二伝導帯では、MoSi2Sb4で最大151 meVのスピン分裂が観察され、引張ひずみにより減少し、高引張ひずみではバンド反転により最低伝導帯に転換する。
• 第一伝導帯（λK,C1）のスピン分裂はひずみに伴い増加するが、第二伝導帯（λK,C2）のスピン分裂は減少し、引張ひずみ領域で曲線が交差することでバンド順序の反転が示唆される。