[논문 리뷰] Charge tunable structural phase transitions in few-layer tellurium: a step toward building mono-elemental devices

Cong Wang, Jingsi Qiao외 6명|arXiv (Cornell University)|2018. 06. 18.

2D Materials and ApplicationsMaterials Science참고 문헌 64인용 수 18

한 줄 요약

이 연구는 소수층 텔루르에서 전하 도핑에 의해 조절 가능한 구조적 상전이를 입증한다. 전자 도핑은 α(반도체), β, γ, δ(금속성)의 네 가지 이성질체 간의 가역적 전이를 유도하며, 각각 다른 전자적, 광학적, 대칭성 특성을 가진다. 주요 발견은 제어된 도핑을 통해 상 간의 동적 스위칭이 가능하며, 특히 삼층 텔루르에서 편향성 α+δ 상이 나타나면서 단일 원소 2차원 물질에서 전자적 및 광학적 응답을 조절할 수 있음을 보여준다.

ABSTRACT

Recently, a covalent-like quasi-bonding was unveiled for the inter-chain interaction in a promising semiconductor, few-layer Tellurium. Such quasi-bond offers comparable bond lengths and strengths with those of a typical Te-Te covalent bond, which may lead to much easier transformations between the quasi-bonds and the covalent bonds. Here, we show a few structural phase-transitions among four Te allotropes in few-layer Te under charge doping. In particular, the semiconducting α-phase can transform into a smaller-bandgap β-phase, even-smaller-bandgap γ-phase and then metallic δ-phase in a Te bilayer. In a tri-layer, a metallic chiral α+δ phase is more stable under initial electron doping, leading to the appearance of chirality. Variations of electronic structures aside, these transitions are accompanied by the emergence or elimination of inversion centers (α-β, α-γ, α-α+δ), structural anisotropy (α-γ, γ-δ) and chirality (α-α+δ), which could result in substantial changes in optical and other properties. In light of this, this work opens the possibility toward building mono-elemental electronic and optoelectronic heterostructures or devices. It also offers a platform for studying relations between charge doping and electric/optical properties.

연구 동기 및 목표

• 소수층 텔루르에서 전하 도핑이 구조적 상전이를 유도하는 역할을 탐구한다.
• 텔루르에서 상전이 과정 중 전자 구조, 대칭성, 편향성이 어떻게 변화하는지 이해한다.
• 조절 가능한 전자적 및 광학적 특성을 지닌 단일 원소 2차원 이종구조를 설계하기 위한 플랫폼을 구축한다.
• 전하 도핑과 상대적으로 나타나는 구조적 대칭성(예: 중심 대칭, 편향성) 간의 상호작용을 조사한다.
• 미래의 나노일렉트로닉스 및 옵토일렉트로닉스 응용을 위한 원소 2차원 반도체에서 물리적 성질의 동적 제어를 가능하게 한다.

제안 방법

• 소수층 텔루르에 전자 도핑 조건을 적용한 첫 원리 밀도함수이론(DFT) 계산을 수행하여 모델링하였다.
• α, β, γ, δ 상으로 구성된 네 가지 텔루르 이성질체의 구조적, 전자적, 대칭성 특성을 체계적으로 분석하였다.
• 증가하는 전자 도핑 조건 하에서 밴드 갭, 중심 대칭성, 편향성 구조의 변화를 추적하였다.
• 전하 밀도 차이 분석을 통해 체인 간 결합 성격과 준결합 상호작용을 분석하였다.
• 다양한 도핑 수준에서 이층 및 삼층 텔루르의 상 안정성을 평가하였다.
• 에너지 경로 분석 및 전하 조절 조건 하에서의 대칭성 변화를 통해 상전이 경로를 매핑하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 전자 도핑은 소수층 텔루르에서 어떻게 구조적 상전이를 유도하는가?
• RQ2 준결합 상호작용은 텔루르 이성질체 간의 가역적 전이를 가능하게 하는 데 어떤 역할을 하는가?
• RQ3 중심 대칭성 및 편향성과 같은 대칭성 특성은 상전이 과정에서 어떻게 나타나거나 사라지는가?
• RQ4 α → β → γ → δ 전이 시퀀스 동안 전자 구조 변화(예: 밴드 갭 변화)는 어떠한가?
• RQ5 제어된 전자 도핑을 통해 삼층 텔루르에서 편향성 금속성 상을 안정화시킬 수 있는가?

주요 결과

• 전자 도핑은 이층 텔루르에서 반도체 성질을 띠는 α 상에서 출발하여, 더 작은 밴드 갭을 가진 β 상, γ 상, 마지막으로 금속성 δ 상으로의 순차적 상전이를 유도한다.
• 삼층 텔루르에서는 초도 전자 도핑이 편향성 α+δ 상을 안정화시키며, 이는 중심 대칭성이 깨지고 토폴로지적 특성을 띠는다.
• α에서 β로, α에서 γ로의 전이 과정에서 중심 대칭성이 상실되며, α에서 α+δ로의 전이에서는 편향성이 도입된다.
• γ 상과 δ 상에서 구조적 이방성이 나타나 방향성에 따라 다른 전자적 및 광학적 반응을 유도한다.
• α 상의 밴드 갭은 약 0.6 eV에서 γ 상에서는 약 0.2 eV로 감소하고, δ 상에서는 완전히 닫히며, 금속-절연체 전이를 나타낸다.
• 텔루르 체인 간의 준결합 상호작용이 낮은 에너지 경로를 제공하여 전하 제어 조건 하에서 상전이의 동적 조절 가능성을 가능하게 한다.