[논문 리뷰] A comparative computational study of the electronic properties of planar and buckled silicene

Harihar Behera, Goutam Mukhopadhyay|arXiv (Cornell University)|2012. 01. 05.

Graphene research and applications참고 문헌 1인용 수 5

한 줄 요약

이 계산 연구는 국부 밀도 근사(LDA)를 사용한 밀도-functional 이론(DFT)을 통해 평면형과 굽은 형태의 실리세인의 전자적 성질을 비교한다. 평면형 실리세인은 그래핀과 유사하게 금속성 디рак 콘을 보이지만, 구조 최적화된 굽은 형태의 실리세인은 K 점에서 약 25 meV의 작은 직접 band gap를 보이며, 이는 질량이 있는 디рак 페르미온을 나타내며, 그래핀의 절반 정도의 페르미 속도를 가지므로 실리콘 기반 나노전자소자에 잠재적인 응용 가능성을 제공한다.

ABSTRACT

Using full potential density functional calculations within local density approximation (LDA), we report our investigation of the structural electronic properties of silicene (the graphene analogue of silicon), the strips of which has been synthesized recently on Ag(110) and Ag(100) surfaces. An assumed planar and an optimized buckled two dimensional (2D) hexagonal structures have been considered for comparisons of their electronic properties. Planar silicene shows a gapless band structure analogous to the band structure of graphene with charge carriers behaving like mass-less Dirac fermions, while the structurally optimized buckled silicene shows a small direct energy band gap of about 25 meV (at the K point of the hexagonal Brillouin zone) in its electronic structure and the charge carriers in this case behave like massive Dirac fermions. The actual band gap would be larger than this as LDA is known to underestimate the gap. The average Fermi velocity of the Dirac fermions in silicene was estimated at about half the value experimentally measured in graphene. These properties of silicene are attractive for some of the applications one envisages for graphene. Our finding of a direct band gap in silicene is something new. The results, if verified by experiments, are expected to have huge industrial impact in the silicon-based nano-electronics and nano-optics because of the possible compatibility silicene with current silicon-based micro-/nano technology.

연구 동기 및 목표

• 평면형 및 굽은 형태의 실리세인의 구조적 및 전자적 성질을 조사하기 위해.
• 첫 번째 원리 DFT 계산을 사용하여 평면형과 굽은 형태의 실리세인의 전자 밴드 구조를 비교하기 위해.
• 실리세인이 특히 최적화된 굽은 형태에서 band gap를 나타내는지 확인하기 위해.
• 그래핀과의 비교에서 실리세인의 페르미 속도와 실린 전하 운반자의 거동을 평가하기 위해.
• 기존 실리콘 기반 나노기술에 실리세인을 통합할 잠재력을 평가하기 위해.

제안 방법

• 전체 포텐셜 선형화된 증강 평면파(FP-LAPW) 방법을 사용한 밀도-functional 이론(DFT)이 적용되었다.
• 실리세인의 전자 구조를 계산하기 위해 국부 밀도 근사(LDA)가 사용되었다.
• 두 가지 구조 모델을 고려했는데, 가정된 평면형 육각형 실리세인과 구조 최적화된 굽은 육각형 실리세인이다.
• 양상태의 전자 밴드 구조를 계산하여 그 분산 관계를 분석하기 위해.
• 디랙 점 근처의 선형 분산에서 디랙 페르미온의 페르미 속도를 추정하였다.
• 굽은 형태의 경우, 육각형 브라라운 존의 K 점에서 band gap를 평가하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 굽은 형태의 실리세인이 band gap를 보이며, 만약 그렇다면 그 크기는 얼마인가?
• RQ2 평면형 실리세인의 전자 밴드 구조는 그래핀과 어떻게 비교되는가?
• RQ3 실리세인의 전하 운반자의 페르미 속도는 얼마이며, 그래핀과 비교해 보면 어떻게 되는가?
• RQ4 평면형과 굽은 형태의 실리세인 간에 디랙 페르미온의 효율 질량은 어떻게 다를까?
• RQ5 실리세인의 전자적 성질은 실리콘 기반 나노전자소자에 응용하기 위해 조절 가능할까?

주요 결과

• 평면형 실리세인은 그래핀과 유사하게 금속성 디랙 콘을 보이며, 전하 운반자는 질량이 없는 디랙 페르미온으로 행동한다.
• 구조 최적화된 굽은 형태의 실리세인은 브라라운 존의 K 점에서 약 25 meV의 작은 직접 band gap를 보인다.
• 실리세인의 디랙 페르미온의 페르미 속도는 그래핀에서 실험적으로 관측된 값의 약 절반으로 추정된다.
• LDA는 일반적으로 band gap를 과소 평가하는 경향이 있으므로, 굽은 형태의 실리세인의 band gap는 25 meV보다 클 것으로 예상된다.
• 그래핀과 달리 실리세인이 직접 band gap를 가지므로, 향후 실리콘 기반 나노전자 및 옵토전자 장치에 유망한 가능성을 지닌다.
• 결과는 실리세인이 기존 실리콘 기반 마이크로 및 나노 제조 기술과의 호환성이 있을 것임을 시사한다.