[논문 리뷰] Strain engineered direct-indirect band gap transition and its mechanism in 2D phosphorene

Xihong Peng, Andrew Copple외 1명|arXiv (Cornell University)|2014. 03. 15.

2D Materials and Applications인용 수 4

한 줄 요약

이 연구는 밴드 갭의 직접-간접 전이를 2차원 황백나이트라이드에서 기계적 응력에 의해 유도하는 것을 다룬다. 일련의 계산 결과, 축 방향 응력, 특히 자이즈그 방향에서의 -2% 압축 응력이 직접-간접 전이를 유도하며, 다섯 개의 고유한 응력 영역이 식별되었다. 이 메커니즘은 궤도 오비탈의 혼성화 변화와 연관되어 있으며, 전이 경계에서 효과 질량이 급격히 변동함으로써 실현 가능한 캐리어 이동도 조절이 가능하다.

ABSTRACT

Recently fabricated two dimensional (2D) phosphorene crystal structures have demonstrated great potential in applications of electronics. In this work, strain effect on the electronic band structure of phosphorene was studied using first principles methods. It was found that phosphorene can withstand a surface tension and tensile strain up to 10 N/m and 30%, respectively. The band gap of phosphorene experiences a direct-indirect-direct transition when axial strain is applied. A moderate -2% compression in the zigzag direction can trigger this gap transition. With sufficient expansion (+11.3%) or compression (-10.2% strains), the gap can be tuned from indirect to direct again. Five strain zones with distinct electronic band structure were identified and the critical strains for the zone boundaries were determined. The origin of the gap transition was revealed and a general mechanism was developed to explain energy shifts with strain according to the bond nature of near-band-edge electronic orbitals. Effective masses of carriers in the armchair direction are an order of magnitude smaller than that of the zigzag axis indicating the armchair direction is favored for carrier transport. In addition, the effective masses can be dramatically tuned by strain, in which its sharp jump/drop occurs at the zone boundaries of the direct-indirect gap transition.

연구 동기 및 목표

• 기계적 응력 하에서 황백나이트라이드의 전자적 반응을 이해하는 것.
• 직접-간접 밴드 갭 전이를 유도하는 임계 응력 조건을 규명하는 것.
• 궤도 오비탈 혼성화 기반의 밴드 갭 진화 메커니즘을 밝히는 것.
• 응력에 의존하는 효과 질량을 정량화하고, 이들이 캐리어 이동도에 미치는 영향을 분석하는 것.

제안 방법

• 이상적인 밴드 갭의 전자 구조를 모델링하기 위해 일련의 제1원리 밀도함수이론(DFT) 계산을 수행하였다.
• 이sovotropic 응력에 의한 이방성 기계적 및 전자적 반응를 분석하기 위해 자이즈그 및 어머체이어 방향으로 응력을 적용하였다.
• 전도대 최소값과 가소대 최대값 간의 에너지 차이를 추적하여 밴드 갭 진화를 분석하였다.
• 응력 하에서의 에너지 이동 및 밴드 갭 전이 기원을 설명하기 위해 궤도 오비탈 혼성화 분석을 수행하였다.
• 캐리어 이동도 경향을 평가하기 위해 자이즈그 및 어머체이어 방향으로 효과 질량 텐서를 계산하였다.
• 임계 응력 값에 기반하여 고유한 전자 구조를 지닌 다섯 개의 고유한 응력 영역을 식별하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 어떤 응력 조건이 황백나이트라이드에서 직접-간접 밴드 갭 전이를 유도하는가?
• RQ2 이방성 응력은 황백나이트라이드의 전자 밴드 갭 및 궤도 특성에 어떻게 영향을 미치는가?
• RQ3 응력 하에서 관측된 밴드 갭 전이의 물리적 메커니즘은 무엇인가?
• RQ4 응력은 서로 다른 결정학적 방향에서 캐리어의 효과 질량에 어떻게 영향을 미치는가?
• RQ5 응력 공학을 통해 간접-직접 밴드 갭 전이를 가역적으로 조절할 수 있는가?

주요 결과

• 황백나이트라이드는 구조적 파손 이전에 최대 30%의 인장 응력과 10 N/m의 표면 장력에 견딜 수 있다.
• 자이즈그 방향에서 -2%의 압축 응력이 직접-간접 밴드 갭 전이를 유도한다.
• +11.3% 또는 -10.2% 응력에서 밴드 갭은 간접에서 직접으로 복귀하며, 이는 가역적 조절 가능성을 시사한다.
• 임계 응력 임계값에 의해 둘러싸인 다섯 개의 고유한 전자 구조를 지닌 응력 영역이 식별되었다.
• 어머체이어 방향의 효과 질량은 자이즈그 방향보다 약 10배 작으며, 이는 어머체이어 방향에서 높은 캐리어 이동도를 유도한다.
• 직접-간접 전이 영역 경계에서 효과 질량이 급격히 증가하거나 감소하는 현상이 정확히 관찰되었다.