[논문 리뷰] Strain Modulated Electronic and Optical Properties of Laterally Stitched MoSi2N4/XSi2N4 (X=W, Ti) 2D Heterostructures

Ghulam Hussain, Mumtaz Manzoor외 5명|arXiv (Cornell University)|2022. 05. 18.

2D Materials and Applications참고 문헌 81인용 수 27

한 줄 요약

이 연구는 처음부터 원리 계산을 통해 이방성 응력이 수평으로 접합된 MoSi2N4/WSi2N4 (MWLH) 및 MoSi2N4/TiSi2N4 (MTLH) 2차원 이종구조물의 전자적 및 광학적 성질을 효과적으로 조절할 수 있음을 보여준다. 주요 발견은 MWLH에서 굴절 응력이 직접 밴드 갭 전이를 유도하며, 나노스케일 장치 응용을 위한 조절 가능한 옵티오일렉트로닉 행동을 가능하게 한다.

ABSTRACT

We used first-principles calculations to investigate the laterally stitched monolayered MoSi2N4/XSi2N4 (X=W, Ti) 2D heterostructures. The structural stability of such heterostructures is confirmed by the phonon spectra exhibiting no negative frequencies. From the electronic band structures, the MoSi2N4/WSi2N4-lateral heterostructure (MWLH) shows semiconducting nature with an indirect bandgap of 2.35 eV, while the MoSi2N4/TiSi2N4-lateral heterostructure (MTLH) revealed metallic behavior. Moreover, the effect of biaxial strain on the electronic and optical properties of MWLH is studied, which indicated substantial modifications in their electronic and optical spectra. In particular, an indirect to direct bandgap semiconducting transition can be achieved in MWLH via compressive strain. Besides, the absorbance, transmittance and reflectance spectra can effectively be tuned by means of biaxial strain. Our findings provide insights into the strain engineering of electronic and optical features, which could pave the way for future nano- and optoelectronic applications.

연구 동기 및 목표

• 수평으로 접합된 MoSi2N4/XSi2N4 (X=W, Ti) 2차원 이종구조물의 구조적 안정성과 전자적 성질을 조사하기 위해.
• 이종구조물의 전자 밴드 구조와 광학적 반응에 미치는 이방성 응력의 영향을 탐색하기 위해.
• 응력이 MoSi2N4/WSi2N4 시스템에서 간접 밴드 갭에서 직접 밴드 갭으로의 전이를 유도할 수 있는지 확인하기 위해.
• 미래의 나노 및 옵티오일렉트로닉 장치를 위한 응력 공학 기반 2차원 이종구조물의 기초를 마련하기 위해.

제안 방법

• 밀도함수이론(DFT)과 프rojector Augmented Wave(PAW) 방법을 사용한 비엔나 Ab initio 시뮬레이션 패키지(VASP)를 이용한 처음부터 원리 계산.
• 동역학적 안정성을 확인하기 위해 4×4×1 초세포를 사용한 PHONOPY 코드를 통한 격자 진동 분포 계산.
• 무작위 위상 근사(RPA)를 사용하여 광학적 성질을 계산하고, 2차원 광학적 전도도 σ2D(ω)로 변환하여 흡수율, 투과율, 반사율을 유도하기 위해.
• 맥스웰 방정식과 관계식 σ̃(ω) = σ2D(ω)/ε₀c를 사용하여 정규화된 흡수율, 투과율, 반사율을 계산하기 위해.
• 밴드 구조 및 광학 스펙트럼에 미치는 영향을 연구하기 위해 이방성 응력을 ±5% 범위에서 적용하기 위해.
• 스핀-오비트 결합을 포함하여 파동함수의 스핀 분리 및 밴드 구조의 밴드-의존 성질을 평가하기 위해.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 이방성 응력 하에서 수평으로 접합된 MoSi2N4/WSi2N4 및 MoSi2N4/TiSi2N4 2차원 이종구조물이 동역학적으로 안정한가?
• RQ2 이방성 응력이 MoSi2N4/WSi2N4 이종구조물의 전자 밴드 구조에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ3 이방성 응력이 MoSi2N4/WSi2N4 수평 이종구조물에서 간접 밴드 갭에서 직접 밴드 갭으로의 전이를 유도할 수 있는가?
• RQ4 응력에 의해 이종구조물의 광학적 성질(흡수율, 투과율, 반사율)은 어느 정도 조절 가능한가?
• RQ5 이종구조물에서 패리미 에너지원 근처 전자 상태를 수정하는 데 있어 스핀-오비트 결합의 역할은 무엇인가?

주요 결과

• MoSi2N4/WSi2N4-수평 이종구조물(MWLH)은 응력이 가해지지 않은 상태에서 간섭성 밴드 갭 2.35 eV를 가지며, 반도체 성질을 나타낸다.
• MoSi2N4/TiSi2N4-수평 이종구조물(MTLH)은 응력이 가해지지 않은 상태에서 금속적 성질을 보이며, 밴드 갭이 존재하지 않는다.
• −5%의 굴절 응력을 가할 경우 MWLH에서 직접 밴드 갭 전이가 발생하며, 밴드 갭은 2.35 eV에서 약 1.69 eV로 감소한다.
• MWLH의 첫 번째 흡수 피크는 응력이 가해지지 않은 상태에서 2.25 eV에서 5% 인장 응력 하에서는 1.68 eV로 적색 이동하고, 5% 압축 응력 하에서는 2.84 eV로 파란 이동한다.
• 흡수율, 투과율, 반사율 스펙트럼은 이방성 응력에 의해 효과적으로 조절 가능하며, 응력이 가해지지 않은 상태에서 1.5 eV 이상의 흡수율이 증가하고, 1.5 eV 이하에서는 투과율이 100%를 초과한다.
• 스핀-오비트 결합은 발열대의 K점에서 125 meV의 스핀 분리를 유도하며, 이는 이방성 응력 하에서도 안정적으로 유지되어 밴드 트로닉 응용 가능성을 시사한다.