[논문 리뷰] Band Gaps and Giant Stark Effect in Nonchiral Phosphorene Nanoribbons

Qingyun Wu, Lei Shen외 3명|arXiv (Cornell University)|2014. 05. 13.

2D Materials and Applications인용 수 7

한 줄 요약

이 연구는 비회전성 인산염 나노리본(PNRs)에서 거대한 스타크 효과를 입증하여 이중 게이트 필드효과 트anz스터에서 전기장 유도 절연체-금속 전이 및 높은 온/오프 비율을 가능하게 한다. 밀도함수이론과 비평형 그린 함수 계산을 통해 전도 채널이 PNR의 내부에 국한되어 있음을 밝혀내어 가장자리 결함에 대해 강건함을 입증한다.

ABSTRACT

By combining density functional theory and nonequilibrium Green's function, we study the electronic and transport properties of monolayer black phosphorus nanoribbons (PNRs). First, we investigate the band-gap of PNRs and its modulation by the ribbon width and an external transverse electric feld. Our calculations indicate a giant Stark effect in PNRs, which can switch on transport channels of semiconducting PNRs under low bias, inducing an insulator-metal-transition. Next, we study the transport channels in PNRs via the calculations of the current density and local electron transmission pathway. In contrast to graphene and MoS_2 nanoribbons, the carrier transport channels under low bias are mainly located in the interior of both armchair and zigzag PNRs, and immune to a small amount of edge defects. Lastly, a device of the PNR-based dual-gate feld-effect-transistor, with high on/off-ratio of 10^3, is proposed based on the giant electric feld tuning effect.

연구 동기 및 목표

• 단층 백인산염 나노리본(PNRs)의 밴드 갭 조절 가능성을 리본 폭과 외부 전기장에 의해 조사한다.
• 저전압 조건에서 PNR 내 전자 전도 채널의 성격을 이해한다. 특히 공간적 국소화 및 결함 내성에 중점을 둔다.
• PNRs에서 거대한 스타크 효과를 활용하여 고성능 필드효과 트anz스터에서 큰 온/오프 비율을 달성할 수 있는지 탐색한다.
• PNRs의 강력한 전기장 조절 특성을 활용한 이중 게이트 FET 장치 설계를 제안한다.

제안 방법

• 밀도함수이론(DFT)을 사용하여 리본 폭과 수직 전기장의 함수로 인산염 나노리본(PNRs)의 전자 구조 및 밴드 갭을 계산한다.
• 비평형 그린 함수(NEGF) 형식을 적용하여 전압 조건 하에서 PNRs의 전류 밀도 및 국소 전자 전도 경로를 계산한다.
• 아치형 및 진동형 PNRs의 전도 특성을 시뮬레이션하여 전류 채널의 공간 분포 및 결함 민감도를 비교한다.
• PNR 채널을 기반으로 한 이중 게이트 필드효과 트anz스터(FET) 모델을 설계하여 온/오프 비율 및 필드효과 조절 능력을 평가한다.
• 다양한 전기장 조건에서 밴드 구조 및 전도 스펙트럼의 변화를 분석하여 절연체-금속 전이를 규명한다.
• 국소 전도의 공간 맵핑을 통해 PNRs에서 전도가 가장자리 기반인지 또는 부피 기반인지 식별한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 리본 폭과 외부 수직 전기장에 따라 인산염 나노리본의 밴드 갭은 어떻게 변화하는가?
• RQ2 저전압 조건에서 아치형 및 진동형 PNRs의 전자 전도 채널은 공간적으로 어떻게 분포되어 있는가?
• RQ3 PNRs의 전도 특성은 가장자리 결함에 얼마나 내성적인가?
• RQ4 PNRs에서의 거대한 스타크 효과는 필드효과 트anz스터 구성에서 뚜렷한 온/오프 비율을 가능하게 할 수 있는가?
• RQ5 PNRs에서의 전기장에 의한 밴드 갭 조절은 그래핀 및 MoS₂ 나노리본에 비해 어떻게 비교되는가?

주요 결과

• 인산염 나노리본에서 거대한 스타크 효과가 관찰되어 낮은 외부 전기장에서도 절연체-금속 전이가 가능하다.
• PNRs의 밴드 갭은 리본 폭과 수직 전기장에 의해 강하게 조절 가능하여 전자 상태를 완전히 제어할 수 있다.
• 저전압 조건에서 PNRs의 전류 전도는 가장자리가 아니라 내부 영역에 주로 국한되어 있으며, 그래핀 및 MoS₂ 나노리본과는 다름을 보였다.
• PNRs의 내부에 국한된 전도 채널은 소량의 가장자리 결함에 대해 매우 높은 내성을 보이며, 강건성을 향상시킨다.
• PNRs를 기반으로 한 이중 게이트 FET는 10³의 높은 온/오프 비율을 달성하여 강력한 필드효과 조절 능력을 입증했다.
• PNRs의 전도 메커니즘은 강력한 필드 조절 가능성과 부피 유사 전도 경로의 조합으로 인해 다른 2차원 물질과 근본적으로 다름을 보였다.