[논문 리뷰] Direct band gap and strong Rashba effect in van der Waals heterostructures of InSe and Sb single layers

Dangqi Fang, Siyu Chen외 2명|arXiv (Cornell University)|2020. 10. 03.

2D Materials and Applications참고 문헌 62인용 수 6

한 줄 요약

이 연구는 처음으로 원자적 계산을 통해 InSe/Sb 반데르발스 이종접합체를 조사하여 스핀-오르빗 결합과 비대칭성의 붕괴로 인해 도체 띠 가장자리에서 직접 금접역과 강한 라슈바 스핀 분리가 발생함을 입증한다. 라슈바 분리는 평면 내 이방성 인장 또는 평면 외 전기장에 의해 효과적으로 조절 가능하며, 이는 저온에서 스핀트로닉스 및 옵티오일렉트로닉스 장치에 매우 유망한 후보이다.

ABSTRACT

Van der Waals heterostructures formed by stacking different types of 2D materials are attracting increasing attention due to new emergent physical properties such as interlayer excitons. Recently synthesized atomically thin indium selenide (InSe) and antimony (Sb) individually exhibit interesting electronic properties such as high electron mobility in the former and high hole mobility in the latter. In this work, we present a first-principles investigation on the stability and electronic properties of ultrathin bilayer heterostructures composed of InSe and Sb single layers. The calculated electronic band structures reveal a direct band gap semiconducting nature of the InSe/Sb heterostructures independent of stacking pattern. Taking spin-orbit coupling into account, we find a large Rashba spin splitting at the bottom of conduction band, which originates from the atomic spin-orbit coupling with the symmetry breaking in the heterostructure. The strength of the Rashba spin splitting can be tuned by applying in-plane biaxial strain or an out-of-plane external electric field. The presence of large Rashba spin splitting together with a suitable band gap in InSe/Sb bilayer heterostructures make them promising candidates for spin field-effect transistor and optoelectronic device applications.

연구 동기 및 목표

• InSe/Sb 이중층 반데르발스 이종접합체의 안정성과 전자적 성질을 조사하기 위해.
• 이종접합체가 스택 구조에 관계없이 직접 금접역을 가지는지 확인하기 위해.
• 스핀-오르빗 결합과 대칭성 붕괴로 인한 라슈바 스핀 분리의 기원과 조절 가능성 분석하기 위해.
• 평면 내 이방성 인장과 평면 외 전기장이 라슈바 효과와 밴드 구조에 미치는 영향 탐색하기 위해.
• InSe/Sb 이종접합체가 스핀 필드효과 트anz이터 및 옵티오일렉트로닉스 장치 응용에 적합한지 평가하기 위해.

제안 방법

• VASP 소프트웨어를 사용한 프로젝터 증강파면 방법을 활용한 첫 번째 원자적 밀도함수이론(DFT) 계산.
• 라슈바형 분리를 포괄하기 위해 PBE+SOC 함수를 통해 스핀-오르빗 결합(SOC)을 포함.
• 다양한 스택 구조(예: AC′)의 체계적 분석을 통해 가장 안정한 구조 도출.
• 기계적 조절성을 탐색하기 위해 -3%에서 3%까지의 평면 내 이방성 인장을 적용.
• 전기적 조절을 연구하기 위해 -0.2 V/Å에서 0.2 V/Å까지의 평면 외 전기장을 적용.
• 스핀 분리 강도를 정량화하기 위해 라슈바 파ameter(αR), 라슈바 에너지(ER), 운동량 오프셋(kR) 계산.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 InSe/Sb 반데르발스 이종접합체는 스택 패턴에 관계없이 직접 금접역을 나타내는가?
• RQ2 InSe/Sb 이종접합체에서 라슈바 스핀 분리는 어떤 기원을 가지며, 원자 수준의 스핀-오르빗 결합이 주요 원인인가?
• RQ3 외부 기계적 인장 또는 전기장에 의해 라슈바 스핀 분리가 조절 가능한가?
• RQ4 평면 내 이방성 인장과 평면 외 전기장은 밴드 갭과 스핀 분리 에너지에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ5 이 이종접합체는 실용적인 스핀트로닉스 또는 옵티오일렉트로닉스 장치 응용을 지원할 수 있는가?

주요 결과

• 모든 저에너지 스택 구조에서 InSe/Sb 이종접합체는 직접 금접역을 나타내며, 결합 에너지는 20.5~21.6 meV/Ų 사이이다.
• 스핀-오르빗 결합과 비대칭성 붕괴로 인해 Γ 점 근처 도체 띠 최소값에서 최대 13.4 meV의 큰 라슈바 스핀 분리가 관측된다.
• 압축 인장(-3%)에서 0.8 eV·Å에서부터 인장 인장(3%)에서 1.58 eV·Å까지 라슈바 파ameter αR가 증가하여 기계적 인장에 의한 강한 조절 가능성을 보여준다.
• 라슈바 에너지 ER은 인장에 따라 단조적으로 증가하며, 적용된 전기장과 거의 선형적으로 변화하여 -3% 인장에서 4 meV에서 3% 인장에서 13.4 meV로 증가한다.
• 전기장 조건에서도 밴드 갭은 안정적으로 유지되며, -0.2 V/Å에서 0.2 V/Å 범위에서 0.53 eV에서 0.47 eV로만 변동하여 반도체 성질을 유지한다.
• 3% 인장 인장 조건에서 계면 간격은 2.74 Å에서 2.53 Å로 감소하여 상호작용이 강화되고 라슈바 파ameter가 증가한다.