[논문 리뷰] Ultra-high mechanical stretchability and controllable topological phase transitions in two-dimensional arsenic

Ming Yang, Wu-Ming Liu|arXiv (Cornell University)|2015. 01. 18.

Topological Materials and Phenomena참고 문헌 27인용 수 3

한 줄 요약

이 논문은 초고강성 기계적 연성(44% 연신률, 아크형 방향)과 기록적인 푸아송 비율 1.049을 갖는 새로운 이차원 흑연형 비소(아르세네네)를 제안한다. 외부 응력에 의해 토폴로지적 위상 전이가 발생하여, 강력한 스핀 편향된 표면 상태를 갖는 토폴로지적 절연체로 전환되며, 이는 소모가 없는 트랜지스터 및 스핀 밸브와 같은 도자기 스핀트로닉스 장치의 응용 가능성을 열어준다.

ABSTRACT

The mechanical stretchability is the magnitude of strain which a material can suffer before it breaks. Materials with high mechanical stretchability, which can reversibly withstand extreme mechanical deformation and cover arbitrary surfaces and movable parts, are used for stretchable display devices, broadband photonic tuning and aberration-free optical imaging. Strain can be utilised to control the band structures of materials and can even be utilised to induce a topological phase transition, driving the normal insulators to topological non-trivial materials with non-zero Chern number or Z2 number. Here, we propose a new two-dimensional topological material with ultra-high mechanical stretchability - the ditch-like 2D arsenic. This new anisotropic material possesses a large Poisson's ratio 1.049, which is larger than any other reported inorganic materials and has a ultra-high stretchability 44% along the armchair direction, which is unprecedent in inorganic materials as far as we know. Its minimum bend radius of this material can be as low as 0.66 nm, which is comparable to the radius of carbon-nanotube. Such mechanical properties make this new material be a stretchable semiconductor which could be used to construct flexible display devices and stretchable sensors. Axial strain will make a conspicuous affect on the band structure of the system, and a proper strain along the zigzag direction will drive the 2D arsenic into the topological insulator in which the topological edge state can host dissipation-less spin current and spin transfer toque, which are useful in spintronics devices such as dissipation transistor, interconnect channels and spin valve devices.

연구 동기 및 목표

• 스트레칭 전자기기용으로서 뛰어난 기계적 유연성과 높은 푸아송 비율을 갖는 이차원 물질을 발견하기 위해.
• 응력이 이차원 비소에서 토폴로지적 위상 전이를 유도할 수 있는지 탐색하기 위해.
• 기계적 변형과 열적 요동 하에서 제안된 이차원 비소의 구조적 및 역학적 안정성을 평가하기 위해.
• 유연한 이차원 반도체에서 응력으로 인한 토폴로지적 성질을 가역적으로 제어할 수 있는 가능성을 입증하기 위해.
• 이 새로운 물질의 실험적 합성 및 특성 분석을 위한 길잡이를 제공하기 위해 (분리 및 전도도 측정을 통한).

제안 방법

• 전자적 및 구조적 성질 최적화를 위해 GGA-PBE 함수를 사용한 1차원 밀도함수이론(DFT) 계산을 수행하였으며, 에너지 截단값은 400 eV로 설정하였다.
• 변형 셀 최적화 및 공액 기울기 알고리즘을 통해 원자에 작용하는 힘을 0.001 eV/Å 이하로 유지하여 구조적 안정성을 확보하였다.
• 음향 분산 및 유한온도 분자 동역학(300 K 및 30 K) 계산을 4×4 초세포(64 원자)를 사용하여 동역학적 안정성을 확인하였다.
• 축 방향 응력(자이즈와 아크형 방향)을 적용하여 밴드 구조를 조절하고 토폴로지적 위상 전이를 유도하였다.
• 토폴로지적 불변량(Z2 및 크라인 수)을 밴드 구조에서 평가하여 토폴로지적 절연체 위상의 식별을 수행하였다.
• 기계적 유연성을 평가하기 위해 곡률 지수 N을 갖는 나노튜브 형태의 굽은 구조를 모델링하였으며, 자유 에너지 및 밴드 구조를 곡률에 따라 분석하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 이차원 비소 이성질체는 초고강성 기계적 연성과 비정상적으로 높은 푸아송 비율을 나타낼 수 있는가?
• RQ2 이차원 비소는 어떤 최대 응력과 최소 굽힘 반경까지 파손 없이 견딜 수 있는가?
• RQ3 축 응력이 이차원 비소에서 토폴로지적 위상 전이를 유도하여 토폴로지적 절연체로 전환시킬 수 있는가?
• RQ4 응력은 이차원 비소의 밴드 구조와 전자 갭에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ5 굽은 이차원 비소 나노튜브에서 곡률, 자유 에너지, 구조적 안정성 간의 관계는 어떠한가?

주요 결과

• 굴뚝형 이차원 비소(아르세네네)는 모든 알려진 무기물보다 높은 기록적인 푸아송 비율 1.049를 나타낸다.
• 아크형 방향으로 44%의 초고강성 기계적 연성도 보이며, 극한의 유연성을 제공한다.
• 최소 굽힘 반경은 0.66 nm로 탄소 나노튜브 수준이며, 뛰어난 유연성을 시사한다.
• 자이즈 방향의 축 응력에 의해 3.28 Å의 층 간격에서 밴드 역전이가 발생하며, 이로 인해 물질이 토폴로지적 절연체로 전환된다.
• 밴드 갭이 3.71 Å에서 닫히고 3.28 Å에서 역전이가 발생할 때, 비제로 토폴로지 불변량으로서 확인되어 시스템은 토폴로지적 절연체가 된다.
• 곡률 ≤1.52 nm⁻¹(N ≥ 8)인 굽은 나노튜브는 동역학적으로 안정된 반면, 더 높은 곡률(N ≤ 7)에서는 허수 음향 분산 주기수를 보이며 불안정함을 나타낸다.