[論文レビュー] 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)|Mar 25, 2018

Advanced Fiber Laser Technologies被引用数 5

ひとこと要約

本研究では、第一原理DFT計算を用いて、ねじれバキュームMoS2、WS2、MoSe2、WSe2におけるバルクバンド端付近に超平坦バンドが存在することを明らかにした。これは、モアレ超格子内での大きな構造的歪みとシアー結晶ソリトンが原因である。超平坦バンドの幅は5 meVにまで狭く、電子相関が強く、半フィルイン状態におけるモット絶縁体および相関電子状態の可能性を示している。

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.

研究の動機と目的

• ねじれバイレイヤー遷移金属ジ chalcogenides (TMDs)、たとえばMoS2、WS2、MoSe2、WSe2における超平坦バンドの出現を調査すること。
• モアレ超格子内での原子的歪みとシアー結晶ソリトンが電子的平坦性を引き起こす役割を理解すること。
• バルクバンド端における平坦バンドが強い電子相関、特にモット絶縁体相を支持するかどうかを特定すること。
• MoS2における知見を他のTMDに拡張し、平坦バンド形成の一般性を評価すること。
• 構造的再配置が励起子ダイナミクスおよびバンド局在化に与える影響を調査すること。

提案手法

• 擬ポテンシャルと平面波基底を用いた、Quantum Espressoパッケージを用いた第一原理密度汎関数理論 (DFT) 計算。
• Twisterコードを用いて、3.5°、5.1°、7.3°、52.7°、54.9°、56.5°のねじれ角度におけるスーパセル構造を生成。
• 縮小ブリユアンゾーン内の他のk点でバンド構造を対角化する前に、Γ点での自己無撞着な電荷密度計算。
• 固定された層間距離を用いた相対的スタッキングエネルギーの分析により、安定な構成と構造的歪みの順序パラメータ (u または v) を特定。
• 縮小ブリユアンゾーン内でのΓ点とK点間のエネルギー差としてバンド幅Wを計算。
• 電荷密度から得られるd = 22 Åおよびε = 3を用いて、局在的クーロン相互作用U = e²/(4πε₀εd)の推定。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 ねじれバキュームMoS2において、モアレ超格子内での構造的歪みによってバルクバンド端付近に超平坦バンドが出現するか？
• RQ2 シアー結晶ソリトンと原子的歪みが、電子状態の局在化およびバンドの平坦化に果たす役割は何か？
• RQ3 MoS2に見られる平坦バンドの特徴は、WS2、MoSe2、WSe2などの他の遷移金属ジチalcogenidesにも一般化可能か？
• RQ4 局在的クーロン相互作用Uとバンド幅Wの比は何か？これはモット絶縁体的挙動の可能性を示唆するか？
• RQ5 原子的歪みを含めた場合と剛体的ねじれを施した場合とで、バルクバンド最大値の空間的局在性はどのように変化するか？

主な発見

• 56.5°のねじれ角度におけるねじれバイレイヤーMoS2のモアレ超格子で、幅5 meVの超平坦バンドが観測され、他のバルク状態から60 meVのエネルギー差で分離されている。
• 3.5°のねじれ角度ではバンド幅が23 meVにまで広がり、魔法の角度ねじれグラフェンにおけるものと同等の大きさである。
• 56.5°のねじれ角度では局在的クーロン相互作用Uが約220 meVと推定され、U/W比が約44に達する。これは強い相関効果と半フィルイン状態におけるモット絶縁体相の可能性を示唆する。
• 大きな構造的歪みにより、スタッキング境界にシアー結晶ソリトンが形成され、垂直方向の変位が引き起こされ、バルクバンド最大値が局在化する。
• 原子的歪みを含めた場合、平坦バンドの空間的局在性は顕著に変化する。剛体的ねじれでは、より局在化が弱い状態が得られる。
• WS2、MoSe2、WSe2に対しても同様の平坦バンド挙動が予測される。全TMDでAAおよびB_X/Xスタッキングにおいてバルクバンド最大値がエネルギー的に最も低くなるためである。