[논문 리뷰] Geometrical structure and the electron transport properties of monolayer and bilayer silicene near the semimetal-insulator transition point in tight-binding model

Chen-Huan Wu|arXiv (Cornell University)|2018. 04. 30.

Graphene research and applications참고 문헌 40인용 수 13

한 줄 요약

이 연구는 스핀, 밸리, 하위격자 자유도를 포함한 다층 밴드 타이트버드 모델을 사용하여, 반도체-금속 전이점 근처의 단층 및 이중층 실리센의 전자 이동도 및 상전이 거동을 조사한다. 연구 결과, 전이의 임계 허브스 밸류 U는 단층 실리센에서 9 eV, AA 스택형 이중층 또는 불순물 도핑된 단층 실리센에서 12 eV임을 밝혀내었으며, 이는 광학 전도도 및 스크리닝 효과가 전이점 근처의 전기적 성질을 결정하는 데 핵심적인 역할을 한다는 것을 시사한다.

ABSTRACT

We investigate the electron properties of the monolayer and bilayer silicene which is the honeycomb lattice consist of silicon atoms, including the optical conductivity and charged impurity scattering, due to the quasipatricle Dirac-like behaviors near the K-point of silicene. The spin, valley, sublattice degrees of freedom are taken into consider in the multi-band tight-binding model. In momentum space, the scattering matrix which connects the two bare (without interaction) Green's functions in the quasiparticle momentum transport process, could be momentum-independent for the single impuirity configuration, which is similar to the case with small Coulomb coupling in the low-energy Dirac semimetallic system. While in the zero-frequency limit, or the frequency-independent case in the strong Coulomb coupling regime, the static polarization can be obtained by the random-phase-approximation, and it's important for the determination of the screened Coulomb scattering by the charge impurity. The antiferromagnetic order in the silicene is Hubbard-U-dependent, unlike the square lattice which with the antiferromagnetic ground state, and provides the premise of the phase transition from the nonmagnetic semimetal phase to the insulator one. We found that in the absence of electric field, the critical value of the phase transition from semimetal to insulator is 9 eV for the clear monolayer silicene, and is 12 eV for the 2nd AA-stacked bilayer silicene or the dirty monolayer silicene whcih with impurity strength 4 eV. While the behaviors of 1st AA-stacked bilayer silicene is found similar to the monolayer one. The in-plane optical conductivity also shows the same results.

연구 동기 및 목표

• 반도체-금속 전이점 근처의 단층 및 이중층 실리센의 전자 이동도 성질을 이해하기 위해.
• 전자 산란 및 상전이에서 스핀, 밸리, 하위격자 자유도의 역할을 분석하기 위해.
• 다양한 실리센 구조에서 반도체에서 절연체로의 전이를 위한 임계 허브스 U 값을 결정하기 위해.
• charged impurities와 쿠론 스크리닝이 광학 전도도 및 전기적 성질에 미치는 영향을 조사하기 위해.
• 강한 전자 상호작용 조건에서 반자성 질서와 모트 절연체 거동이 어떻게 나타나는지 탐색하기 위해.

제안 방법

• 근처 이웃( t ) 및 두 번째 근처 이웃( t' ) 터널링 적분을 포함한 다층 밴드 타이트버드 모델을 사용하여 단층 및 이중층 실리센의 전자 구조를 기술한다.
• 약한 결합 조건에서 단일 불순자 구조에 대해 운동량에 독립적인 산란 행렬을 운동량 공간에서 유도한다.
• 강한 결합 영역에서 스크리닝된 쿠론 상호작용을 결정하기 위해 정적 분극 함수 Π(k,Ω)를 계산하기 위해 무작위상태근사(RPA)를 사용한다.
• 디랙-유사 해밀토니안과 감마 행렬에서 유도된 속도 연산자( v_x, v_y, v_z )를 사용하여 광학 전도도를 계산한다.
• 층 간 거리 d의 sinh 및 cosh 항을 포함한 수정된 분극 함수를 통해 스크리닝된 층 간 허브스 반발력을 모델링한다.
• 현상 전이를 분석하기 위해 현상적 허브스 U를 조절하며, 임계 값은 반자성 질서의 발생과 모트 절연체 거동의 출현을 기반으로 결정된다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 단층 실리센에서 반도체-절연체 전이를 유도하는 임계 허브스 U 값은 얼마인가?
• RQ2 charged impurities가 실리센의 광학 전도도 및 전자 이동도에 미치는 영향은 무엇인가?
• RQ3 RPA 분극 함수가 실리센에서 스크리닝된 쿠론 산란을 결정하는 데 어떤 역할을 하는가?
• RQ4 왜 AA 스택형 이중층 실리센은 단층 실리센(9 eV)보다 더 높은 U(12 eV)를 요구하는가?
• RQ5 스핀-오비트 결합과 하위격자 구조는 반자성 질서 및 모트 절연체 상의 출현에 어떤 영향을 미치는가?

주요 결과

• 청결한 단층 실리센에서 반도체-절연체 전이의 임계 허브스 U는 9 eV이다.
• 2번째 AA 스택형 이중층 실리센 또는 4 eV의 불순물 강도를 가진 단층 실리센에서 임계 U는 12 eV이며, 이는 금속 상태에 대한 안정성이 향상됨을 시사한다.
• 1번째 AA 스택형 이중층 실리센은 단층 실리센과 유사한 전기적 거동을 보이며, 이는 유사한 전자 반응을 의미한다.
• 광학 전도도 결과는 상전이 임계 값과 일치하며, 전이 서명의 강건성을 확인한다.
• charged impurities는 장거리 쿠론 산란을 유도하며, 영온도 근처에서 평균 탄성 확산 거리가 √n 비례로 스케일링됨을 보여준다.
• 삼중자 상태의 엑시톤과 d1+id2 쌍 생성 불안정성은 t'의 감소와 관련이 있으며, 이는 임계 U 근처에서 쌍 생성이 강화됨을 시사한다.