[论文解读] Band-gap engineering, magnetic behavior and Dirac-semimetal character in the MoSi2N4 nanoribbon with armchair and zigzag edges

A. Bafekry, Mehrdad Faraji+6 more|arXiv (Cornell University)|May 21, 2021

2D Materials and Applications被引用 6

一句话总结

本研究通过第一性原理计算，探究了具有扶手椅形和锯齿形边缘的MoSi2N4纳米带，发现扶手椅形边缘具有可调带隙，而锯齿形边缘表现出自旋极化金属性。关键发现是在特定锯齿形结构中出现了各向异性的狄拉克半金属特性，为自旋电子学和谷电子学应用提供了潜在可能。

ABSTRACT

Motivated by the recent successful formation of the MoSi2N4 monolayer [Hong et al., Sci. 369, 670 (2020)], the structural, electronic and magnetic properties of MoSi2N4 nanoribbons (NRs) is investigated for the first time . The band structure calculations showed spin-polarization in zigzag edges and a non-magnetic semiconducting character in armchair edges. For armchair-edges, we identify an indirect to direct band gap shift compared to the MoSi2N4 monolayer, and its energy gap increases with increasing NR width. Anisotropic electrical and magnetic behavior is observed via band structure calculations in the zigzag and armchair edges, where, surprisingly, for the one type of zigzag-edges configuration, we identify a Dirac-semimetal character. The appearance of magnetism and Dirac-semimetal in MoSi2N4 ribbon can give rise to novel physical properties, which could be useful in applications for next-generation electronic devices.

研究动机与目标

• 探索单层MoSi2N4纳米带实验合成后其结构、电子和磁性性质。
• 研究边缘几何结构（扶手椅形与锯齿形）及纳米带宽度对电子和磁性行为的影响。
• 识别MoSi2N4纳米带中新型量子现象，如狄拉克半金属性和半金属性。
• 评估MoSi2N4纳米带在下一代自旋电子学和光电子学器件中的潜力。
• 研究扶手椅形纳米带中间接带隙向直接带隙转变的特性及其与宽度的依赖关系。

提出的方法

• 采用广义梯度近似（GGA-PBE）处理交换关联泛函的密度泛函理论（DFT）。
• 使用平面波基组与投影缀加波（PAW）方法，基于VASP软件实现。
• 平面波截断能为600 eV，布里渊区采样使用16×16×1 k点网格。
• 结构优化的收敛标准为能量容忍度<10−5 eV，原子受力<10−3 eV/Å。
• 沿z方向采用20 Å的真空层间距，以避免层间相互作用。
• 通过能带结构、自旋密度、电子局域函数（ELF）及磁矩分析，表征电子和磁性性质。

实验结果

研究问题

• RQ1 边缘结构（扶手椅形与锯齿形）如何影响MoSi2N4纳米带的电子能带结构？
• RQ2 扶手椅形边缘MoSi2N4纳米带的带隙如何随宽度变化？
• RQ3 锯齿形边缘MoSi2N4纳米带是否表现出磁有序性，其磁矩如何随纳米带宽度变化？
• RQ4 MoSi2N4纳米带中是否可能形成狄拉克半金属态，若存在，其结构构型条件是什么？
• RQ5 所识别构型中的狄拉克锥具有何种特性，是否表现出各向异性？

主要发现

• 扶手椅形边缘MoSi2N4纳米带表现出半导体特性，相较于单层材料，其带隙由间接带隙向直接带隙转变，且带隙随纳米带宽度增加而增大。
• 锯齿形边缘MoSi2N4纳米带呈现自旋极化金属性，其总磁矩分别为W=1、2、3和4时的1.8、1.7、2.15和2.44 μB。
• 在特定锯齿形构型（III）中，出现狄拉克半金属态，其狄拉克锥呈倾斜且各向异性，表明在Γ–K方向及其垂直方向具有不同的线性色散关系。
• 构型III中的狄拉克锥与总磁矩趋近于零（构型I中为0.95 μB，构型III中为0 μB）相关，表明磁性金属向狄拉克半金属的转变。
• 自旋极化局域在锯齿形纳米带的边缘，且随着纳米带宽度增加，自旋极化区域向内扩展。
• 构型III中的各向异性狄拉克锥可能引致各向异性的费米速度，为p-n结中的谷过滤和光电流生成提供潜在应用。