[论文解读] Band Gaps and Giant Stark Effect in Nonchiral Phosphorene Nanoribbons

Qingyun Wu, Lei Shen+3 more|arXiv (Cornell University)|May 13, 2014

2D Materials and Applications被引用 7

一句话总结

本研究在非手性黑磷纳米带（PNRs）中展示了巨大的斯塔克效应，实现了电场诱导的绝缘体-金属转变，并在双栅场效应晶体管中实现了高开关比。通过密度泛函理论和非平衡格林函数计算，研究发现输运通道定域于PNRs内部，使其对边缘缺陷具有强鲁棒性。

ABSTRACT

By combining density functional theory and nonequilibrium Green's function, we study the electronic and transport properties of monolayer black phosphorus nanoribbons (PNRs). First, we investigate the band-gap of PNRs and its modulation by the ribbon width and an external transverse electric feld. Our calculations indicate a giant Stark effect in PNRs, which can switch on transport channels of semiconducting PNRs under low bias, inducing an insulator-metal-transition. Next, we study the transport channels in PNRs via the calculations of the current density and local electron transmission pathway. In contrast to graphene and MoS_2 nanoribbons, the carrier transport channels under low bias are mainly located in the interior of both armchair and zigzag PNRs, and immune to a small amount of edge defects. Lastly, a device of the PNR-based dual-gate feld-effect-transistor, with high on/off-ratio of 10^3, is proposed based on the giant electric feld tuning effect.

研究动机与目标

• 研究通过纳米带宽度和外加电场调控单层黑磷纳米带（PNRs）带隙的可调性。
• 理解低偏压下PNRs中电子输运通道的性质，特别是其空间局域化和缺陷耐受性。
• 探讨利用PNRs中巨大斯塔克效应实现高性能场效应晶体管并获得大开关比的可行性。
• 提出一种基于PNRs强电场调制特性的双栅FET器件设计。

提出的方法

• 采用密度泛函理论（DFT）计算磷烯纳米带（PNRs）的电子结构和带隙随纳米带宽度及横向电场的变化。
• 应用非平衡格林函数（NEGF）形式化计算在偏压下PNRs中的电流密度和局域电子输运路径。
• 模拟扶手型和锯齿型PNRs的输运特性，以比较电流通道的空间分布和缺陷敏感性。
• 基于PNRs沟道设计双栅场效应晶体管（FET）模型，评估开关比和场效应调制能力。
• 分析在不同电场下能带结构和输运谱的变化，以识别绝缘体-金属转变。
• 通过局域输运的空间映射分析，判断PNRs中的输运是边缘主导还是体相主导。

实验结果

研究问题

• RQ1 磷烯纳米带的带隙如何随纳米带宽度和外加横向电场变化？
• RQ2 在低偏压下，扶手型和锯齿型PNRs中电子输运通道的空间分布如何？
• RQ3 PNRs的输运特性对边缘缺陷的耐受程度如何？
• RQ4 PNRs中的巨大斯塔克效应是否能在场效应晶体管结构中实现显著的开关比？
• RQ5 与石墨烯和MoS₂纳米带相比，PNRs中带隙的电场调控性能如何？

主要发现

• 在磷烯纳米带中观察到巨大的斯塔克效应，可在低外加电场下实现绝缘体-金属转变。
• PNRs的带隙对纳米带宽度和横向电场均具有强可调性，可实现对电子态的完全控制。
• 在低偏压下，PNRs中的电流输运主要局限于内部区域，而非边缘，这与石墨烯和MoS₂纳米带不同。
• PNRs中局域在内部的输运通道对少量边缘缺陷表现出高度免疫性，显著增强了鲁棒性。
• 基于PNRs的双栅FET实现了高达10³的高开关比，证明了其强大的场效应调制能力。
• 由于强场可调性和体相输运路径的结合，PNRs的输运机制在本质上不同于其他二维材料。