[논문 리뷰] Band-gap engineering, magnetic behavior and Dirac-semimetal character in the MoSi2N4 nanoribbon with armchair and zigzag edges

A. Bafekry, Mehrdad Faraji외 6명|arXiv (Cornell University)|2021. 05. 21.

2D Materials and Applications인용 수 6

한 줄 요약

이 연구는 최초의 원자층 MoSi2N4 나노리본의 실험적 합성 이후, 아치형과 줄지어 배열된 모양의 가장자리를 가진 MoSi2N4 나노리본을 밀도함수이론(DFT) 계산을 통해 연구하여, 아치형 가장자리에서는 조절 가능한 밴드 갭을, 줄지어 배열된 가장자리에서는 스핀 편향된 금속성 거동를 규명하였다. 주요 발견은 특정한 줄지어 배열된 구조에서 이방성 디рак-반금속 성질이 나타나며, 이는 스핀트로닉스 및 밸리트로닉스 분야의 잠재적 응용 가능성을 시사한다.

ABSTRACT

Motivated by the recent successful formation of the MoSi2N4 monolayer [Hong et al., Sci. 369, 670 (2020)], the structural, electronic and magnetic properties of MoSi2N4 nanoribbons (NRs) is investigated for the first time . The band structure calculations showed spin-polarization in zigzag edges and a non-magnetic semiconducting character in armchair edges. For armchair-edges, we identify an indirect to direct band gap shift compared to the MoSi2N4 monolayer, and its energy gap increases with increasing NR width. Anisotropic electrical and magnetic behavior is observed via band structure calculations in the zigzag and armchair edges, where, surprisingly, for the one type of zigzag-edges configuration, we identify a Dirac-semimetal character. The appearance of magnetism and Dirac-semimetal in MoSi2N4 ribbon can give rise to novel physical properties, which could be useful in applications for next-generation electronic devices.

연구 동기 및 목표

• 원자층 MoSi2N4 나노리본의 구조적, 전자적, 자성 성질을 탐구하기 위해, 최근에 실험적으로 합성된 단일층 MoSi2N4를 바탕으로 한다.
• 아치형 대비 줄지어 배열된 가장자리 형태와 나노리본 폭이 전자적 및 자성 거동에 미치는 영향을 조사한다.
• MoSi2N4 나노리본에서 디рак-반금속성과 반반금속성과 같은 새로운 양자현상을 규명한다.
• MoSi2N4 나노리본이 차세대 스핀트로닉스 및 옵티오일렉트로닉 장치에 적합한 잠재성을 평가한다.
• 아치형 나노리본에서 간접 금속간격에서 직접 금속간격으로의 전이와 그 폭 의존성에 대해 연구한다.

제안 방법

• 교환-상관 함수로 일반화된 기울기 근사(GGA-PBE)를 사용한 밀도함수이론(DFT).
• 평면파 기저와 프로젝터 증강파(PAW) 방법을 사용하였으며, VASP 소프트웨어에 구현하였다.
• 운동 에너지 截단값 600 eV 및 브라위유인 영역 샘플링을 위한 16×16×1 k-메쉬를 사용하였다.
• 구조 최적화는 에너지 수렴 기준 <10−5 eV 및 힘 수렴 기준 <10−3 eV/Å를 사용하였다.
• 층 간 상호작용을 방지하기 위해 z축 방향으로 20 Å의 진공 간격을 적용하였다.
• 전자 구조, 스핀 밀도, 전자 국소화 함수(ELF), 자화모멘트 분석을 통해 전자적 및 자성 성질을 특성화하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 아치형 대비 줄지어 배열된 가장자리 형태가 MoSi2N4 나노리본의 전자 밴드 구조에 미치는 영향은 무엇인가?
• RQ2 아치형 가장자리 MoSi2N4 나노리본의 밴드 갭은 폭에 따라 어떻게 변화하는가?
• RQ3 줄지어 배열된 가장자리 MoSi2N4 나노리본은 자성 정렬을 보이며, 자화모멘트는 나노리본 폭에 따라 어떻게 변화하는가?
• RQ4 MoSi2N4 나노리본에서 디рак-반금속 상태가 나타날 수 있으며, 만약 그렇다면 어떤 구조적 조건에서 나타나는가?
• RQ5 특정 조건에서 규명된 디рак 원뿔의 성질은 무엇이며, 이는 이방성인가?

주요 결과

• 아치형 가장자리 MoSi2N4 나노리본은 반도체 성질을 보이며, 원자층과 비교해 간접-직접 밴드 갭 전이가 일어나며, 나노리본 폭이 증가함에 따라 밴드 갭이 증가한다.
• 줄지어 배열된 가장자리 MoSi2N4 나노리본은 스핀 편향된 금속성 거동를 나타내며, 폭 W=1, 2, 3, 4일 때 총 자화모멘트는 각각 1.8, 1.7, 2.15, 2.44 μB이다.
• 특정한 줄지어 배열된 구조(III)에서 기울어진 이방성 디랙 원뿔을 가진 디랙-반금속 상태가 나타나며, 이는 Γ–K 방향과 수직 방향에서 서로 다른 선형 분산을 나타낸다.
• 구성 III에서의 디랙 원뿔은 총 자화모멘트가 0.95 μB(구성 I)에서 0 μB(구성 III)로 감소함에 따라 자성 금속에서 디랙 반금속으로의 전이를 암시한다.
• 스핀 편향은 줄지어 배열된 나노리본의 가장자리에 국한되어 있으며, 나노리본 폭이 증가함에 따라 내부로 확장된다.
• 구성 III에서의 이방성 디랙 원뿔은 이방성 피에르 속도를 유도할 수 있으며, 이는 p-n 접합에서의 밸리 필터링 및 광전류 생성에 잠재적 응용 가능성을 제공한다.