[논문 리뷰] Vertical Strain-Induced Modification of the Electrical and Spin Properties of Monolayer MoSi2X4 (X= N, P, As and Sb)

Shoeib Babaee Touski, Nayereh Ghobadi|arXiv (Cornell University)|2021. 06. 13.

2D Materials and Applications인용 수 9

한 줄 요약

이 연구는 단층 MoSi2X4 (X = N, P, As, Sb)에서 수직 변형을 이용해 전기적 및 스핀 성질을 조절하는 것을 다룹니다. 스핀-오비트 결합을 고려한 밀도함수이론을 사용하여, 수축성 변형에서 최대 밴드 갭이 발생하고, 圧축성 변형에서는 밴드 갭이 감소하며, 특히 무거운 켈코겐화합물인 MoSi2Sb4에서 양성자 밴드와 도핑 밴드에서 큰 스핀 분리가 가능하다는 것을 보여줍니다. 이 경우 밴드 K점에서 스핀 분리가 최대 220 meV에 이릅니다.

ABSTRACT

In this work, the electrical and spin properties of monolayer MoSi2X4 (X= N, P, As, and Sb) under vertical strain are investigated. The band structures state that MoSi2N4 is an indirect semiconductor, whereas other compounds are direct semiconductors. The vertical strain has been selected to modify the electrical properties. The bandgap shows a maximum and decreases for both tensile and compressive strains. The valence band at K-point displays a large spin-splitting, whereas the conduction band has a negligible splitting. On the other hand, the second conduction band has a large spin-splitting and moves down under vertical strain which leads to a large spin-splitting in both conduction and valence bands edges. The projected density of states along with the projected band structure clarifies the origin of these large spin-splittings. These three spin-splittings can be controlled by vertical strain.

연구 동기 및 목표

• 단층 MoSi2X4 (X = N, P, As, Sb)의 전자적 및 스핀 성질에 대한 수직 변형의 영향을 탐구하기 위해.
• 변형이 이 2차원 반도체에서 밴드 갭, 밴드 에지 위치 및 효율 질량에 어떻게 영향을 주는지 규명하기 위해.
• 밸런스 및 도핑 밴드의 K점에서 관찰되는 스핀 분리의 기원과 조절 가능성에 대해 조사하기 위해.
• 밴드 갭이 닫히는 전이 변형 및 압력 조건을 특정하여 반도체-금속 전이 시점을 규명하기 위해.
• 밴드 구조 및 스핀 분리에 기여하는 궤도 성분(모리브덴의 d-궤도, X와 실리콘의 p-궤도)을 분석하기 위해.

제안 방법

• 교환-상관 효과를 위해 PBE 기능을 사용한 SIESTA 패키지를 활용한 밀도함수이론(DFT) 계산.
• 스핀트로닉스 성질을 정확히 모델링하기 위해 스핀-오비트 결합(SOC)을 포함.
• 계층 간 거리와 전자 구조를 체계적으로 조절하기 위해 수직 변형(−22%에서 +22%)을 적용.
• 밴드의 궤도 기여를 식별하기 위해 투사된 상태 밀도(PDOS) 및 투사된 밴드 구조를 계산.
• 변형에 따른 밴드 갭 변화, 효율 질량, 그리고 밴드 K점에서의 스핀 분리도 분석.
• 전자 국소화 및 결합 성질을 분석하기 위해 전하 밀도 분석을 수행.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 수직 변형은 단층 MoSi2X4 (X = N, P, As, Sb)의 밴드 갭과 밴드 에지 정렬에 어떻게 영향을 미치는가?
• RQ2 큰 스핀 분리는 밴드의 밸런스 및 도핑 밴드에서 어떻게 기인하는가? Mo d, X p, Si p 궤도 기여가 이를 어떻게 영향을 주는가?
• RQ3 압축성 및 인장성 변형에서 밴드 K점의 밸런스 및 도핑 밴드에서 스핀 분리는 어떻게 변화하는가?
• RQ4 반도체-금속 전이가 발생하는 변형은 언제이며, 이 전이 변형은 X 원소에 따라 어떻게 달라지는가?
• RQ5 이 2차원 물질에서 수직 변형을 통해 전기적 성질과 스핀 성질을 동시에 제어할 수 있는가?

주요 결과

• MoSi2N4는 밴드 갭이 간접 밴드 갭으로서, Γ점(밸런스)에서 K점(도핑)으로 이동하며, MoSi2P4, MoSi2As4, MoSi2Sb4는 K점에서 직접 밴드 갭 반도체입니다.
• 밴드 갭은 소규모 인장성 변형(~+5%)에서 최대가 되며, 압축성 및 더 큰 인장성 변형에서 감소하여 MoSi2P4, MoSi2As4, MoSi2Sb4에서는 약 −10%의 압축성 변형에서 밴드 갭이 닫힙니다.
• MoSi2N4는 전이 변형이 −22%로 더 크며, 전이 압력도 25.3 GPa로 더 높은 반면, 나머지 화합물은 7.3–9.1 GPa 범위입니다.
• MoSi2Sb4에서는 K점에서 밸런스 밴드의 스핀 분리가 매우 크며(최대 220 meV), 더 무거운 X 원소로 갈수록 스핀-오비트 결합이 강화되어 증가합니다.
• 두 번째 도핑 밴드는 MoSi2Sb4에서 최대 151 meV까지 큰 스핀 분리를 보이며, 이는 인장성 변형에서 감소하고 고인장성 변형에서 밴드 역전으로 인해 가장 낮은 도핑 밴드가 됩니다.
• 첫 번째 도핑 밴드(λK,C1)의 스핀 분리는 변형에 따라 증가하지만, 두 번째 도핑 밴드(λK,C2)의 스핀 분리는 감소하며, 인장성 변형에서 두 곡선이 교차하여 밴드 순서의 역전이 발생합니다.