[논문 리뷰] Band gap engineering of PtSe2

Zhishuo Huang, Wenxu Zhang외 1명|arXiv (Cornell University)|2016. 05. 27.

2D Materials and Applications참고 문헌 39인용 수 25

한 줄 요약

이 연구는 희박한 힘 상호작용이 전자 밀도 재분배를 유도하는 벤더발스 상호작용을 통해 레이어 수나 평면 내 응력을 변화시킴으로써 PtSe2의 금역역을 효과적으로 조절할 수 있음을 보여준다. 단일 레이어에서 1.2 eV인 금역역은 다섯 레이어에서 0.5 eV로 좁아지며, 충분한 응력이 가해지면 궤도 혼성 변화에 의해 도체대와 가역대 가장자리가 이동함으로써 반도체-금속 전이가 가능하다.

ABSTRACT

Besides its predicted promising high electron mobilities at room temperature, PtSe2 bandgap sensitively depends on the number of monolayers combined by van der Waals interaction according to our calculations. We understand this by using bandstructure calculations based on the density functional theory. It was found that the front orbitals of VBM and CBM are contributed mainly from pz and px+y orbitals of Se which are sensitive to the out-plane and in-plane lattice constants, respectively. The van der Waals force enhances the bonding out-of-plane, which in-turn influences the bonding in-plane. We found that the thickness dependent bandgap has the same origin as the strain dependent bandgap, which is from the change of the front orbital interactions. The work shows the flexibilities of tuning the electronic and optical properties of this compound in a wide range.

연구 동기 및 목표

• 층 수 증가에 따라 상호층 범위 간 상호작용에 의해 PtSe2의 금역역이 어떻게 변화하는지 조사하기 위해.
• 소수의 레이어로 구성된 PtSe2에서 금역역 감소의 전자 기원을 이해하기 위해, 특히 궤도 혼성화와 전하 재분포의 역할을 분석하기 위해.
• 평면 내 응력 공학을 통해 PtSe2에서 반도체-금속 전이를 유도할 수 있는지 탐색하기 위해.
• 구조적 응력(평면 내 및 평면 외)과 밴드 구조 및 효과적 질량의 변화 간 상관관계를 분석하기 위해.
• PtSe2에서 층 수 의존성과 응력 의존성 금역역 조절을 연결하는 통합 메커니즘을 수립하기 위해.

제안 방법

• 범위 간 상호작용를 포함하기 위해 PBE+vdW 기능을 사용한 밀도함수이론(DFT) 계산.
• 전체 구조 최적화를 평면파 효과적 원자력 코드(PWscf)를 사용하여 수행하였으며, 총 에너지 수렴 조건을 10⁻⁹ 하트리로 설정.
• 2차원 및 부피 구조에 각각 13×13×1 및 13×13×8 k-점 메esh를 사용하였으며, 2차원 거동을 시뮬레이션하기 위해 50 a.u.의 진공 간격을 적용.
• 전하 밀도 등치면과 궤도 분석을 통해 레이어 간 Se p-오비탈과 Pt d-오비탈 간 전자 재분포를 추적.
• 균일한 평면 내 응력을 도입하여 전자적 성질의 기계적 조절을 시뮬레이션.
• 유사 정확도 수준에서 FPLO 전위력 선형화된 증강 평면파 코드를 사용한 결과의 상호 검증.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 PtSe2의 금역역은 레이어 수가 증가함에 따라 어떻게 변화하며, 그 배경 메커니즘은 무엇인가?
• RQ2 범위 간 상호작용력이 소수의 레이어로 구성된 PtSe2에서 응력 유도 및 전자 구조 변화에 어떤 역할을 하는가?
• RQ3 평면 내 응력이 PtSe2에서 반도체-금속 전이를 유도할 수 있는가, 그리고 이는 레이어 두께 변화 효과와 어떻게 비교되는가?
• RQ4 전자 및 정공의 효과적 질량은 레이어 수와 적용된 응력에 따라 어떻게 변화하는가?
• RQ5 궤도 혼성화와 전하 재분포 측면에서 금역역 좁아짐의 기원은 무엇인가?

주요 결과

• 상호층 범위 간 상호작용에 의해 PtSe2의 금역역은 단일 레이어에서 1.2 eV에서 다섯 레이어에서 0.5 eV로 감소한다.
• 범위 간 상호작용력은 양의 평면 내 응력(평면 내 격자 상수 a 증가)과 음의 평면 외 응력(층 간격 감소)을 유도하며, 이는 궤도 혼성화를 변화시킨다.
• 도체대 최저점(CBM)은 주로 Se pₓ₊ᵧ 및 Pt dₓz+yz 오비탈로 구성되며, 상호층 상호작용에 의해 안정화되어 에너지가 낮아진다.
• 가역대 최고점(VBM)은 주로 Se p_z 오비탈로 구성되며, 평면 외 결합 감소로 인해 불안정화되어 에너지가 높아지며, 이로 인해 금역역이 좁아진다.
• 다섯 레이어 PtSe2에서 약 4%의 평면 내 응력이 가해지면 반도체-금속 전이가 예측되며, 이는 VBM이 Γ 근처의 Q₂ᵥ 지점에서 Γ 점으로 이동함에 따라 발생한다.
• 전자 및 정공의 효과적 질량은 평면 내 응력 증가에 따라 감소하지만, 이중 레이어 PtSe2의 정공의 경우 레이어 수 증가에 따라 처음에는 증가하는 경향을 보인다.