[논문 리뷰] A review of the electronic and optical properties of strained graphene and other similar 2D materials

Gerardo G. Naumis, Salvador Barraza‐Lopez외 2명|arXiv (Cornell University)|2016. 11. 25.

2D Materials and Applications인용 수 5

한 줄 요약

이 리뷰는 그래프ène 및 관련 2차원 재료에서 기계적 스트레인에 의해 유도되는 전자적 및 광학적 변화에 대한 현재 이해를 종합적으로 다루며, 이론적 모델을 활용해 프랙탈 스펙트럼, 잠재적 중력, 위상 상태와 같은 이국적인 양자 현상을 규명한다. 스트레인 공학이 가변적인 광학적 전도도와 라만 응답을 가능하게 하여 새로운 옵티오일렉트로닉 장치 설계를 가능하게 한다고 보여준다.

ABSTRACT

This review presents the state of the art in strain and ripple-induced effects on the electronic and optical properties of graphene. It starts by providing the crystallographic description of mechanical deformations, as well as the diffraction pattern for different kinds of representative deformation fields. Then, the focus turns to the unique elastic properties of graphene, and to how strain is produced. Thereafter, various theoretical approaches used to study the electronic properties of strained graphene are examined, discussing the advantages of each. These approaches provide a platform to describe exotic properties, such as a fractal spectrum related with quasicrystals, a mixed Dirac-Schrodinger behavior, emergent gravity, topological insulator states, in molecular graphene and other 2D discrete lattices. The physical consequences of strain on the optical properties are reviewed next, with a focus on the Raman spectrum. At the same time, recent advances to tune the optical conductivity of graphene by strain engineering are given, which open new paths in device applications. Finally, a brief review of strain effects in multilayered graphene and other promising 2D materials like silicene and materials based on other group-IV elements, phosphorene, dichalcogenide- and monochalcogenide-monolayers is presented, with a brief discussion of interplays among strain, thermal effects, and illumination in the latter material family.

연구 동기 및 목표

• 기계적 스트레인과 움푹 들어간 부분이 그래프ène 및 기타 2차원 재료의 전자적 및 광학적 거동에 미치는 영향을 체계적으로 분석하기 위해.
• 스트레인에 의해 유도되는 이색적인 양자 현상—예를 들어 프랙탈 에너지 스펙트럼과 잠재적 중력—을 식별하고 설명하기 위해.
• 스트레인된 그래프ène의 전자 구조를 모델링하기 위한 이론적 프레임워크와 그 예측 능력을 평가하기 위해.
• 특히 라만 분광법과 전도도에 초점을 맞춘 스트레인 조절 가능한 광학적 성질에 대한 실험적 및 이론적 진전을 검토하기 위해.
• 다층 그래프ène과 실리센, 홀로포스펜, 디chalcoogenides와 같은 새로운 2차원 재료로 통찰을 확장하여 스트레인-열-빛 상호작용을 포함하기 위해.

제안 방법

• 2차원 격자에서 다양한 변형장을 모델링하기 위해 결정학적 및 衍생 패턴 분석을 활용한다.
• 전자 밴드 구조에 대한 스트레인 효과를 기술하기 위해 타이트-버인 모델 및 연속체 탄성 이론과 같은 이론적 접근을 적용한다.
• 유도된 상대론적 효과를 모델링하기 위해 게이지 장 유사체를 활용한 디랙 방정식 형식을 사용한다.
• 그래프ène에서의 스트레인 분포와 격자 비정상성에 대한 주요 실험적 탐사 수 Mittel로 라만 스펙트럼을 분석한다.
• 기기 응용을 평가하기 위해 스트레인 하에서의 광학적 전도도 계산을 통합한다.
• 층 간 결합과 이방성 기계적 반응을 통합하여 다층 시스템과 다른 2차원 재료로 모델을 확장한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 다양한 종류의 스트레인과 움푹 들어간 패tern이 그래프ène의 전자 밴드 구조에 어떻게 영향을 미치는가?
• RQ2 스트레인된 2차원 시스템에서 프랙탈 스펙트럼과 디랙-슈뢰딩거 하이브리드 거동이 나타나는 데 가장 적합한 이론적 프레임워크는 무엇인가?
• RQ3 스트레인이 그래프ène의 라만 스펙트럼과 광학적 전도도에 어떻게 영향을 미치는가?
• RQ4 스트레인 공학을 어떻게 활용하여 2차원 재료의 조절 가능한 옵티오일렉트로닉 응답을 달성할 수 있는가?
• RQ5 전이 금속 디칼코겐화합물 단일층에서 스트레인, 열 효과, 빛 조명이 어떻게 상호작용하는가?

주요 결과

• 그래프ène에서의 스트레인은 준주기적 격자 왜곡으로 인해 퀼크리스탈린 시스템과 유사한 프랙탈 에너지 스펙트럼을 유도한다.
• 스트레인된 그래프ène는 상대론적 디랙 페르미온과 비상대론적 슈뢰딩거 유사 상태가 혼합된 혼합 디랙-슈뢰딩거 거동을 나타낸다.
• 스트레인은 효과적인 게이지 장을 생성하여 중력 잠재력과 유사한 효과를 만들어내며, 2차원 격자에서 잠재적 중력 효과를 유도한다.
• 스트레인 공학은 그래프ène의 조절 가능한 광학적 전도도를 가능하게 하여 동적 광검출기 및 변조기 설계의 길을 열어준다.
• 라만 분광법은 스트레인에 의존하는 피크 이동과 넓어짐을 명확히 드러내어 국소적 스트레인 매핑에 신뢰할 수 있는 탐사 수 Mittel이 된다.
• 다층 그래프ène와 홀로포스펜, 디칼코겐화합물과 같은 2차원 재료는 복잡한 스트레인-열-빛 결합 효과를 보이며, 이는 전자적 및 광학적 반응에 영향을 준다.