[논문 리뷰] Tellurene-a monolayer of tellurium from first-principles prediction

Zhili Zhu, Chengbin Cai외 6명|arXiv (Cornell University)|2016. 05. 11.

2D Materials and Applications참고 문헌 3인용 수 13

한 줄 요약

이 연구는 밀도함수이론을 이용한 1차 원리 계산을 통해 텔루르의 이차원 단층구조인 텔루렌을 예측한다. 이 물질은 교대로 배열된 4원환과 의자형 구조를 가진 6원환을 가지며, 직접 띠역할을 하는 1.04 eV의 띠간극을 나타내고, 기계적 변형을 통해 고도로 조절 가능한 높은 운반체 이동도를 보이며, 향후 나노전자 및 옵토전자 장치의 유망한 후보로 부상한다.

ABSTRACT

A two dimensional (2D) Group-VI Te monolayer, tellurene, is predicted by using the first-principles calculations, which consists of planner four-membered and chair-like six-membered rings arranged alternately in a 2D lattice. The phonon spectra calculations, combined with ab initio molecular dynamics (MD) simulations, demonstrate that tellurene is kinetically very stable. The tellurene shows a desirable direct band gap of 1.04 eV and its band structure can be effectively tuned by strain. The effective mass calculations imply that tellurene should also exhibit a relatively high carrier mobility, e.g. compared with MoS2. The significant direct band gap and the high carrier mobility imply that tellurene is a very promising candidate for a new generation of nanoelectronic devices.

연구 동기 및 목표

• 요소 텔루르에서 안정적인 이차원 단층구조가 형성될 수 있는지 탐색한다.
• 예측된 2D 텔루렌 상의 구조적, 전자적, 동적 안정성을 조사한다.
• 텔루렌의 전자 띠 구조 및 효과적 질량 특성을 평가하여 향후 나노전자 장치 응용 가능성을 검토한다.
• 기계적 변형을 통한 띠간극 및 운반체 효과적 질량의 조절 가능성에 대해 고찰한다.
• 텔루렌이 기존의 2D 반도체 물질인 MoS2와 비교해 고성능 반도체 대체재로 기능할 수 있는지 판단한다.

제안 방법

• 전자 구조 계산을 위해 밀도함수이론(DFT)과 PBE 교환-상관 함수, PAW 폴리엔탈리스를 사용하였다.
• 구조적 완전 최적화는 힘이 0.02 eV/Å 이하가 될 때까지 비엔나 아비아시오 시뮬레이션 패키지(VASP)를 이용해 수행하였다.
• 동적 안정성과 운동적 안정성을 평가하기 위해 300 K 및 1000 K에서의 격자 진동 분포 및 아비아시오 분자 동역학(MD) 시뮬레이션을 실시하였다.
• 2D 시스템 내의 반데르발스 상호작용을 고려하기 위해 DFT-D2 방법을 적용하였다.
• 효과적 질량 계산은 도너대와 수용체대의 최대값 근처에서 띠 구조의 곡률을 이용해 수행하였다.
• 이방성 및 단방향 변형을 적용하여 텔루렌의 띠간극 및 효과적 질량의 조절 가능성을 연구하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 요소 텔루르에서 안정적인 이차원 단층구조가 존재할 수 있으며, 그 원자 구조는 어떠한가?
• RQ2 예측된 텔루렌 상은 열적 요동 조건에서 동적으로 안정한가?
• RQ3 텔루렌의 전자 띠 구조는 어떠한가? 광학적 및 옵토전자 응용에 적합한 직접 띠간극을 가지는가?
• RQ4 기계적 변형은 텔루렌의 띠간극과 운반체 효과적 질량에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ5 텔루렌은 기계적 변형에 의해 조절 가능한 성능을 갖추고 있으며, MoS2와 같은 기존 2D 반도체보다 운반체 이동도 및 조절 가능성 면에서 뛰어나다고 볼 수 있는가?

주요 결과

• 텔루렌은 안정적인 2차원 구조를 가지며, 평면상의 4원환과 의자형 6원환의 교대로 배열된 형태를 띤다.
• 격자 진동 스펙트럼과 아비아시오 분자 동역학 시뮬레이션을 통해 텔루렌은 실온 및 그 이상에서도 운동학적으로 안정함을 확인하였다.
• 단층구조는 1.04 eV의 직접 띠간극을 나타내며, 광학 및 옵토전자 응용에 유리하다.
• 이방성 또는 단방향 변형을 가함으로써 텔루렌의 띠간극을 효과적으로 조절할 수 있으며, 圧축 변형 조건에서는 직접 띠에서 간접 띠로의 전이가 발생한다.
• 압축 변형 조건에서 전자 효과적 질량은 크게 감소하여 -10% 변형에서 최소 0.36 m₀에 도달하며, 이는 높은 운반체 이동도 잠재력을 시사한다.
• 정공 효과적 질량 역시 조절 가능하며, 이방성 압축 조건에서 0.83 m₀에서 0.36 m₀로 감소하여 변형에 의해 전도 성능 향상이 가능함을 나타낸다.