[논문 리뷰] Effect of shear strain on band structure and electronic properties of phosphorene

Yashasvi S. Ranawat, Rishabh Jain|arXiv (Cornell University)|2015. 12. 16.

2D Materials and Applications인용 수 4

한 줄 요약

이 연구는 밀도함수이론(DFT)을 사용하여 시프트 변형이 인산화물의 전자적 성질에 미치는 영향을 조사하며, 시프트 변형이 양자점의 밴드 갭을 감소시키고, 양자점의 30% 변형에서 양자점의 반도체 성질이 사라지고 반도체 성질로 전이됨을 밝혀냈다. 전기적 전도도는 변형에 따라 증가하며, 최대 강도인 30% (아크차이르 방향)와 35% (지그재그 방향)에서 최고에 도달한다. 특히 아크차이르 방향으로 전도도의 이방성이 뚜렷하다.

ABSTRACT

We present an ab-initio investigation of effects of shear strain on band structure and electronic properties of 2D phosphorene. We carried out DFT calculations to determine the shear stress as a function of shear strain and found the monolayer phosphorene has ultimate strength at shear strain 30% and 35% in armchair and zigzag directions, respectively, and it was also found that the monolayer extends in z direction on applying shear strain in both directions. Additionally, we derived band structures of phosphorene along both directions under shear strain and have shown that band gap in phosphorene decreases along both directions and that phosphorene shows a semi-metal nature on applying shear strain of magnitude 30% in both directions. The electrical conductivity of phosphorene was estimated by effective mass along zigzag and armchair directions and it is shown that the electrical conductivity is far higher along armchair direction, and that with increasing shear strain conductivity increases along armchair, up to ultimate strength, and zigzag directions.

연구 동기 및 목표

• 단층 인산화물의 전자 밴드 구조에 시프트 변형이 미치는 영향을 이해하기 위해.
• 특히 최대 강도를 포함하여 시프트 변형 하에서 인산화물의 기계적 한계를 규명하기 위해.
• 변형 하에서 아크차이르 및 지그재그 방향으로 전기적 전도도의 이방성 변화를 분석하기 위해.
• 고강도 시프트 변형 하에서 반도체에서 반도체 성질로의 전이를 탐색하기 위해.

제안 방법

• 시프트 응력이 시프트 변형의 함수로 되는 것을 계산하기 위해 아비-아이티오 DFT 계산을 수행하였다.
• 다양한 시프트 변형 하에서 아크차이르 및 지그재그 방향으로 인산화물의 밴드 구조를 유도하였다.
• 두 결정학적 방향으로의 전기적 전도도를 추정하기 위해 유효 질량 근사를 사용하였다.
• 구조적 반응, 특히 평면 외 팽창을 시프트 변형 하에서 분석하였다.
• 기계적 및 전자적 전이를 매핑하기 위해 아크차이르 및 지그재그 방향으로 점진적으로 시프트 변형을 적용하였다.
• DFT 시뮬레이션에서 구조적 실패가 발생하기 이전의 최대 변형으로서 최대 강도를 결정하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 아크차이르 및 지그재그 방향에서 시프트 변형은 인산화물의 밴드 갭에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ2 인산화물이 반도체에서 반도체 성질로 전이되는 시프트 변형의 크기는 얼마인가?
• RQ3 전기적 전도도는 시프트 변형에 따라 어떻게 변화하며, 아크차이르 및 지그재그 방향 간에 이방성은 있는가?
• RQ4 단층 인산화물의 기계적 최대 시프트 강도는 두 결정학적 방향에서 각각 얼마인가?
• RQ5 시프트 변형 하에서 평면 외 격자 상수가 어떻게 변화하는가?

주요 결과

• 인산화물은 시프트 변형 하에서 밴드 갭 감소를 보이며, 아크차이르 및 지그재그 방향에서 30% 시프트 변형에서 반도체 성질을 상실하고 반도체 성질로 전이된다.
• 단층 인산화물의 최대 시프트 강도는 아크차이르 방향에서 30%, 지그재그 방향에서 35%이다.
• 두 방향 모두에서 전기적 전도도는 시프트 변형에 따라 증가하며, 물질의 최대 강도에서 최고에 도달한다.
• 동일한 변형 조건에서 아크차이르 방향으로 전도도가 지그재그 방향보다 현저히 높게 유지된다.
• 인산화물은 어느 방향으로든 시프트 변형을 받을 경우 z-방향으로 팽창함을 보이며, 평면 외 연성 증가를 나타낸다.
• 밴드 구조는 강한 이방성을 보이며, 아크차이르 방향에서 전자적 성질의 변화가 더 뚜렷하다.