[논문 리뷰] Atomically sharp 1D SbSeI, SbSI and SbSBr with high stability and novel properties for microelectronic, optoelectronic, and thermoelectric applications

Bo Peng, Ke Xu외 8명|arXiv (Cornell University)|2017. 03. 16.

2D Materials and Applications인용 수 3

한 줄 요약

이 연구는 처음으로 원자적으로 날카운 1차원 반도체인 SbSeI, SbSI, SbSBr 세 가지를 밀도함수이론 계산을 통해 제안하며 높은 동적 안정성과 열안정성을 입증한다. 1차원 구속은 밴드 갭, 효율 질량, 세이벡 계수의 급격한 증가를 유도하여 초미세 트랜지스터, 스트레인 조절 가능한 옵티오일렉트로닉스, 향상된 열전 성능을 가능하게 하며, 기계적 분리 또는 수열 방법을 통한 실험적 합성이 가능하다는 것이 입증된다.

ABSTRACT

In scaling of transistor dimensions with low source-to-drain currents, 1D semiconductors with certain electronic properties are highly desired. We discover three new 1D materials, SbSeI, SbSI and SbSBr with high stability and novel electronic properties based on first principles calculations. Both dynamical and thermal stability of these 1D materials are examined. The bulk-to-1D transition results in dramatic changes in band gap, effective mass and static dielectric constant due to quantum confinement, making 1D SbSeI a highly promising channel material for transistors with gate length shorter than 1 nm. Under small uniaxial strain, these materials are transformed from indirect into direct band gap semiconductors, paving the way for optoelectronic devices and mechanical sensors. Moreover, the thermoelectric performance of these materials is significantly improved over their bulk counterparts. Finally, we demonstrate the experimental feasibility of synthesizing such atomically sharp V-VI-VII compounds. These highly desirable properties render SbSeI, SbSI and SbSBr promising 1D materials for applications in future microelectronics, optoelectronics, mechanical sensors, and thermoelectrics.

연구 동기 및 목표

• 다음 세대 나노소자용 초우수한 전자적 및 열전 성능을 갖춘 안정적이고 실험적으로 실현 가능한 1차원 반도체를 규명하는 것.
• 초미세 필드효과 트랜지스터에 응용되는 데에 장애가 되는, 작은 밴드 갭과 높은 유전율을 갖는 기존의 복합체 V-VI-VII 반도체의 한계를 해결하는 것.
• 양자 구속 효과에 의해 3차원에서 1차원으로의 차원 감소가 전자 구조, 특히 밴드 갭, 효율 질량, 유전율에 미치는 영향을 탐구하는 것.
• 기계적 스트레인과 도핑 조건에서의 옵티오일렉트로닉스 및 열전 응용 잠재력을 평가하는 것.
• 기계적 분리, 수열 또는 초음파화학적 방법을 통한 이러한 1차원 재료의 실험적 합성 가능성을 입증하는 것.

제안 방법

• SbSeI, SbSI, SbSBr의 3차원 및 1차원 구조 최적화를 위해 PBE-D2 함수를 사용한 밀도함수이론(DFT)을 적용하였다.
• 1차원 상의 동적 안정성을 확인하기 위해 진동 분산 및 상태 밀도(DOS) 계산을 수행하였다.
• 300 K에서 분자 동역학 시뮬레이션을 통해 8 ps 동안 1차원 SbSeI의 열안정성을 검증하였다.
• 1차원 시스템에서의 양자 구속 효과를 분석하기 위해 전자 밴드 구조, 효율 질량, 정적 유전율을 계산하였다.
• 1차원 SbSeI에서 축방향 인장 스트레인(최대 3%)을 적용하여 간섭간접 밴드 갭 전이가 발생하는지 조사하였다.
• 300 K에서 열전 성능 평가를 위해 반고전적 볼츠만 운동 이론을 사용하여 세이벡 계수 및 전자적 zT를 계산하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 SbSeI, SbSI, SbSBr와 같은 1차원 V-VI-VII 화합물은 원자적으로 날카운 형태를 유지하며 높은 열안정성과 동적 안정성을 확보할 수 있는가?
• RQ2 3차원에서 1차원으로의 전이가 양자 구속 효과에 의해 밴드 갭, 효율 질량, 유전율 등의 핵심 전자적 성질에 어떻게 영향을 미치는가?
• RQ3 작은 축방향 인장 스트레인이 1차원 SbSeI에서 간섭간접 밴드 갭 전이를 유도하여 옵티오일렉트로닉스 성능을 향상시킬 수 있는가?
• RQ4 이 1차원 재료의 열전 성능은 기존의 3차원 형태에 비해 어느 정도 향상되는가?
• RQ5 기계적 분리, 수열 또는 초음파화학적 방법을 통해 이러한 1차원 재료의 실험적 합성이 가능한가?

주요 결과

• 1차원 SbSeI는 진동 분산 및 300 K에서의 분자 동역학 시뮬레이션을 통해 높은 동적 안정성과 열안정성을 확보하였다.
• 1차원 SbSeI는 양자 구속 효과로 인해 밴드 갭이 ~0.6 eV(기존 형태)에서 ~1.2 eV로 증가하여 1 nm 이하의 게이트 길이를 갖는 트랜지스터의 채널 재료로서 매우 유망하다.
• 1차원 SbSeI에서 효율 질량은 양자 구속으로 인해 크게 증가하여 실리콘과 유사한 전자 국소화를 유도하며, 더 높은 세이벡 계수 기여를 한다.
• 3%의 인장 스트레인 조건에서 1차원 SbSeI는 간섭간접 밴드 갭 전이를 겪으며 강한 광흡수를 유도하고, 옵티오일렉트로닉스 및 기계적 센서 장치에의 잠재적 응용 가능성을 열어준다.
• 1차원 SbSeI의 세이벡 계수는 기존 형태보다 크게 높으며, 더 넓은 도핑 범위에서 전자적 zT 값도 높게 도달하여 열전 성능이 뛰어나다는 것을 시사한다.
• SbSeI의 이상적 균열 에너지(0.52 × 10⁻⁹ J/m)는 그래핀보다 훨씬 낮아 기계적 분리에 의해 1차원 체인을 분리하는 것이 실험적으로 가능하다는 것을 나타낸다.