[论文解读] A comparative computational study of the electronic properties of planar and buckled silicene

Harihar Behera, Goutam Mukhopadhyay|arXiv (Cornell University)|Jan 5, 2012

Graphene research and applications参考文献 1被引用 5

一句话总结

本计算研究采用局域密度近似（LDA）下的密度泛函理论（DFT）比较了平面型与褶皱型硅烯的电子性质。结果表明，尽管平面型硅烯表现出类似石墨烯的无隙狄拉克锥，但结构优化后的褶皱型硅烯在布里渊区K点处显示出约25 meV的微小直接带隙，表明存在质量化的狄拉克费米子，其费米速度约为石墨烯的一半，为硅基纳米电子学提供了潜在应用前景。

ABSTRACT

Using full potential density functional calculations within local density approximation (LDA), we report our investigation of the structural electronic properties of silicene (the graphene analogue of silicon), the strips of which has been synthesized recently on Ag(110) and Ag(100) surfaces. An assumed planar and an optimized buckled two dimensional (2D) hexagonal structures have been considered for comparisons of their electronic properties. Planar silicene shows a gapless band structure analogous to the band structure of graphene with charge carriers behaving like mass-less Dirac fermions, while the structurally optimized buckled silicene shows a small direct energy band gap of about 25 meV (at the K point of the hexagonal Brillouin zone) in its electronic structure and the charge carriers in this case behave like massive Dirac fermions. The actual band gap would be larger than this as LDA is known to underestimate the gap. The average Fermi velocity of the Dirac fermions in silicene was estimated at about half the value experimentally measured in graphene. These properties of silicene are attractive for some of the applications one envisages for graphene. Our finding of a direct band gap in silicene is something new. The results, if verified by experiments, are expected to have huge industrial impact in the silicon-based nano-electronics and nano-optics because of the possible compatibility silicene with current silicon-based micro-/nano technology.

研究动机与目标

• 研究硅烯在平面与褶皱构型下的结构与电子性质。
• 利用从头算DFT计算比较平面与褶皱型硅烯的电子能带结构。
• 确定硅烯是否具有带隙，特别是其结构优化后的褶皱型是否具有带隙。
• 评估硅烯中载流子的费米速度及其与石墨烯的对比。
• 评估硅烯在现有硅基纳米技术中集成应用的潜力。

提出的方法

• 采用全势线性化缀加平面波（FP-LAPW）方法的密度泛函理论（DFT）进行计算。
• 使用局域密度近似（LDA）计算硅烯的电子结构。
• 考虑两种结构模型：假设的平面六边形硅烯与结构优化后的褶皱六边形硅烯。
• 计算两种构型的电子能带结构，以分析其色散关系。
• 从狄拉克点附近的线性色散关系估算狄拉克费米子的费米速度。
• 在褶皱相的六边形布里渊区K点处评估带隙。

实验结果

研究问题

• RQ1 褶皱型硅烯是否具有带隙？若有，其大小是多少？
• RQ2 平面型硅烯的电子能带结构与石墨烯相比有何异同？
• RQ3 硅烯中载流子的费米速度是多少？与石墨烯相比如何？
• RQ4 平面型与褶皱型硅烯中狄拉克费米子的有效质量有何差异？
• RQ5 硅烯的电子性质是否可调控以适用于硅基纳米电子学应用？

主要发现

• 平面型硅烯表现出无隙狄拉克锥，与石墨烯类似，其载流子表现为无质量狄拉克费米子。
• 结构优化后的褶皱型硅烯在布里渊区K点处显示出约25 meV的微小直接带隙。
• 硅烯中狄拉克费米子的费米速度估计约为石墨烯实验观测值的一半。
• 由于LDA通常低估带隙，褶皱型硅烯的带隙预计大于25 meV。
• 与石墨烯不同，硅烯存在直接带隙，使其在未来的硅基纳米电子与光电子器件中具有应用前景。
• 结果表明硅烯与现有硅基微纳制造技术具有潜在兼容性。