[논문 리뷰] Ultraflat bands and shear solitons in Moiré patterns of twisted bilayer transition metal dichalcogenides

Mit H. Naik, Manish Jain|ePrints@IISc (Indian Institute of Science)|2018. 03. 25.

Advanced Fiber Laser Technologies인용 수 5

한 줄 요약

이 연구는 처음으로 DFT 계산을 통해 비틀어진 이중층 MoS2, WS2, MoSe2 및 WSe2에서 모이레 수반 구조의 큰 구조적 왜곡과 비틀림 솔리톤에 의해 유도되는 밴드 가장자리 근처의 초평탄한 밴드를 규명한다. 이 평탄한 밴드는 너비가 5 meV에 이르기까지 매우 좁아, 반강체 상호작용과 반강체 전자 상의 잠재적 가능성, 특히 반완전 충탄 상태에서의 모트 절연체 상을 시사한다.

ABSTRACT

Ultraflat bands in twisted bilayers of two-dimensional materials have potential to host strong correlations, including the Mott-insulating phase at half-filling of the band. Using first principles density functional theory calculations, we show the emergence of ultraflat bands at the valence band edge in twisted bilayer MoS$_2$, a prototypical transition metal dichalcogenide. The computed band widths, 5 meV and 23 meV for 56.5$^\circ$ and 3.5$^\circ$ twist angles respectively, are comparable to that of twisted bilayer graphene near 'magic' angles. Large structural transformations in the Moiré patterns lead to formation of shear solitons at stacking boundaries and strongly influence the electronic structure. We extend our analysis for twisted bilayer MoS$_2$ to show that flat bands can occur at the valence band edge of twisted bilayer WS$_2$, MoSe$_2$ and WSe$_2$ as well.

연구 동기 및 목표

• 비틀어진 이중층 전이 금속 디 chalcogenide(TMD)인 MoS2, WS2, MoSe2 및 WSe2에서 초평탄한 밴드의 발생을 조사하기 위해.
• 모이레 수반 구조에서 원자적 왜곡과 비틀림 솔리톤이 전자 밴드 평탄도를 유도하는 역할를 이해하기 위해.
• 밸런스 밴드 가장자리의 평탄한 밴드가 강한 전자 상호작용, 특히 모트 절연체 상을 지지하는지 확인하기 위해.
• MoS2에서의 결과를 다른 TMD로 확장하고 평탄한 밴드 형성의 일반성을 평가하기 위해.
• 구조 재구성의 영향을 자극 동역학과 밴드 국소화에 대해 탐구하기 위해.

제안 방법

• 퍼스펙티브 허브-파라미터를 사용한 첫 번째 원리 밀도함수이론(DFT) 계산을 수행하며, Quantum Espresso 소프트웨어 패키지와 허브-파라미터, 평면파 기저를 사용한다.
• Twister 코드를 사용하여 3.5°, 5.1°, 7.3°, 52.7°, 54.9° 및 56.5°의 비틀림 각도에 대한 초세포 구조를 생성한다.
• 감소된 브릴루앙 존 내의 다른 k-점에서 밴드 구조의 대각화를 위해 Γ-점에서 자성 밀도를 자동으로 수렴시킨다.
• 고정된 다층 간격을 유지하면서 상대적 스택 에너지를 분석하여 안정된 구조적 구성과 구조적 왜곡의 순서 변수(u 또는 v)를 확인한다.
• 감소된 브릴루앙 존 내에서 Γ 및 K 점 간의 에너지 차이를 통해 밴드 너비 W를 계산한다.
• 전하 밀도에서 d = 22 Å 및 ε = 3를 사용하여 U = e²/(4πε₀εd) 공식을 통해 온사이트 쿨롱 상호작용 U를 추정한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 모이레 수반 구조에서 큰 구조적 왜곡으로 인해 비틀어진 이중층 MoS2에서 밴드 가장자리 근처에 초평탄은 밴드가 나타나는가?
• RQ2 비틀림 솔리톤과 원자적 왜곡이 전자 상태의 국소화와 밴드 평탄도를 유도하는 역할는 무엇인가?
• RQ3 MoS2에서 관찰된 평탄한 밴드 특성은 WS2, MoSe2 및 WSe2와 같은 다른 전이 금속 디 chalcogenide에도 일반적인가?
• RQ4 온사이트 쿨롱 상호작용 U와 밴드 너비 W의 비율은 얼마이며, 이는 모트 절연체 행동의 잠재성을 시사하는가?
• RQ5 원자적 왜곡을 포함했을 때와 이중층가 강성 있게 비틀었을 때, 밸런스 밴드 최대값의 공간적 국소화는 어떻게 변화하는가?

주요 결과

• 56.5° 비틀림 각도에서 비틀어진 이중층 MoS2의 모이레 수반 구조에서 너비가 5 meV인 초평탄한 밴드가 관측되었으며, 다른 밸런스 상태로부터 60 meV 떨어져 있다.
• 3.5° 비틀림 각도에서는 밴드 너비가 23 meV로, 마법의 각도 비틀어진 이중층 그래핀의 값과 유사하다.
• 56.5° 비틀림 각도에서 온사이트 쿨롱 상호작용 U는 약 ~220 meV로 추정되었으며, 이는 매우 큰 U/W 비율(~44)을 나타내어 강한 상호작용 효과와 반완전 충탄 상태에서 모트 절연체 상의 잠재성을 시사한다.
• 큰 구조적 왜곡으로 인해 스택 경계에서 비틀림 솔리톤이 형성되며, 이는 수직 방향 이완을 유도하고 밸런스 밴드 최대값을 국소화시킨다.
• 원자적 왜곡을 포함했을 때 평탄한 밴드의 공간적 국소화가 크게 변화한다; 강성 있는 비틀림은 덜 국소화된 상태를 초래한다.
• WS2, MoSe2 및 WSe2에 대해서도 동일한 평탄한 밴드 행동이 예측되며, 모든 연구된 TMD에서 AA 및 B_X/X 스택에서 밸런스 밴드 최대값이 에너지가 가장 낮게 나타나기 때문이다.