[논문 리뷰] Controlling Band Gap in Silicene Monolayer Using External Electric Field

C. Kamal|arXiv (Cornell University)|2012. 02. 13.

Graphene research and applications인용 수 6

한 줄 요약

이 연구는 실리센의 고유한 굽힘 구조 덕분에, 수직 방향 외부 전기장이 대칭성 반전을 깨뜨림으로써 실리센 단일층에서 밴드 갭을 열고 조절할 수 있음을 보여준다. 밴드 갭은 전기장 강도에 비례하여 선형적으로 증가하며, 5 V/nm에서 50 meV 이상에 이를 수 있어 실리콘 기반 기술과 호환되는 실온에서의 나노전자소자 응용이 가능하다.

ABSTRACT

We study the geometric and electronic structures of silicene monolayer using density functional theory based calculations. The electronic structures of silicene show that it is a semi-metal and the charge carriers in silicene behave like massless Dirac-Fermions since it possesses linear dispersion around Dirac point. Our results show that the band gap in silicene monolayer can be opened up at Fermi level due to an external electric field by breaking the inversion symmetry. The presence of buckling in geometric structure of silicene plays an important role in breaking the inversion symmetry. We also show that the band gap varies linearly with the strength of external electric field. Further, the value of band gap can be tuned over a wide range.

연구 동기 및 목표

• 밀도-functional 이론(DFT)을 사용하여 실리센 단일층의 기하학적 및 전자 구조를 조사하기.
• 실리센은 질량이 없는 디рак 페르미온을 가진 반도체이지만, 외부 전기장이 밴드 갭을 열 수 있는지 확인하기.
• 적용된 전기장 강도를 변화시켜 밴드 갭의 조절 가능성을 탐색하기.
• 전기장에 의한 밴드 갭 개방을 가능하게 하는 구조적 굽힘의 역할을 이해하기.
• 장치 구현에 적합한 조절을 위해 밴드 갭과 전기장 강도 사이의 선형 관계를 확립하기.

제안 방법

• 노말-코셔런트 트라울러-마르티누스 효과 허위포텐셜을 사용한 SIESTA 패키지를 이용해 완전히 자성화된 DFT 계산을 수행하였다.
• 삼중-지수 기저 집합에 분극 함수를 추가하고, PBE-GGA 교환-상관 기능을 사용하였다.
• 상호작용을 최소화하기 위해 45×45×1 k-점 메esh와 14 Å의 진공 층을 사용하였다.
• 원자 구조를 최적화하기 위해 힘을 10⁻² eV/Å 이하로 줄이고 에너지를 10⁻⁶ eV 수준으로 수렴시켰다.
• 실리센 평면에 수직인 외부 전기장을 적용하여 대칭성 반전을 깨뜨렸다.
• 전자적 성질과 밴드 갭의 진화를 분석하기 위해 밴드 구조와 상태 밀도(DOS)를 계산하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 실리센 단일층은 원래는 선형 디рак 분산을 보이는 반도체이지만, 외부 전기장이 밴드 갭을 열 수 있는가?
• RQ2 실리센의 고유한 굽힘은 전기장에 의한 밴드 갭 개방에 어떻게 영향을 미치는가?
• RQ3 적용된 전기장 강도와 발생하는 밴드 갭 사이의 정량적 관계는 무엇인가?
• RQ4 실리센의 밴드 갭은 실용적인 나노전자소자 응용을 위해 넓은 범위로 조절 가능한가?
• RQ5 외부 전기장 작용 하에서, 음성 밴드와 도핑 밴드의 에nergylevel은 패배 에너지 수준에 대해 어떻게 이동하는가?

주요 결과

• 최적화된 실리센 단일층은 낮은 굽힘 상태를 보이며, 격자 상수는 3.903 Å, 결합 길이는 2.309 Å, 결합 각도는 115.4°로, 혼합 sp²/sp³ 혼성화를 나타낸다.
• 서브격자 A와 B 사이의 굽힘 거리(d)는 0.5 Å이며, 이는 외부 전기장 하에서 대칭성 반전을 가능하게 하는 데 필수적이다.
• 전기장이 없을 경우 실리센은 K 점에서 선형 디랙 유사 분산을 보이며, 질량이 없는 디랙 페르미온 행동을 확인한다.
• 수직 평면에 수직인 외부 전기장을 적용하면 대칭성 반전으로 인해 패배 에너지 수준에서 밴드 갭이 열린다.
• 밴드 갭은 전기장 강도에 비례하여 선형적으로 증가하며, 비례 상수는 10.14 meV per V/nm이며, 5 V/nm에서 50.9 meV에 이를 수 있다.
• 양성 밴드와 도핑 밴드의 에nergylevel이 모두 패배 에너지 수준에서 대칭적으로 멀어지며, 직접적이고 조절 가능한 밴드 갭임을 확인한다.