[论文解读] Controlling Band Gap in Silicene Monolayer Using External Electric Field

C. Kamal|arXiv (Cornell University)|Feb 13, 2012

Graphene research and applications被引用 6

一句话总结

本研究证明，通过外加垂直于硅烯单层的电场，可因材料固有的褶皱结构破坏反演对称性而打开并调节能带隙。能带隙随电场强度线性增加，在5 V/nm时超过50 meV，使硅烯具备与硅基技术兼容的室温纳米电子学应用潜力。

ABSTRACT

We study the geometric and electronic structures of silicene monolayer using density functional theory based calculations. The electronic structures of silicene show that it is a semi-metal and the charge carriers in silicene behave like massless Dirac-Fermions since it possesses linear dispersion around Dirac point. Our results show that the band gap in silicene monolayer can be opened up at Fermi level due to an external electric field by breaking the inversion symmetry. The presence of buckling in geometric structure of silicene plays an important role in breaking the inversion symmetry. We also show that the band gap varies linearly with the strength of external electric field. Further, the value of band gap can be tuned over a wide range.

研究动机与目标

• 采用密度泛函理论（DFT）研究硅烯单层的几何与电子结构。
• 确定外加电场是否可在原本具有无质量狄拉克费米子特性的半金属硅烯中打开能带隙。
• 探索通过改变外加电场强度来调节能带隙的可行性。
• 理解结构褶皱在实现电场诱导能带隙打开中的作用。
• 建立能带隙与电场强度之间的线性关系，以实现器件相关的可调性。

提出的方法

• 使用SIESTA程序包进行完全自洽的DFT计算，采用非局域赝势的Troullier-Martins方法。
• 采用三重ζ基组并包含极化函数，交换关联泛函采用PBE-GGA。
• 使用45×45×1的k点网格，并在超胞中设置14 Å的真空层，以最小化层间相互作用。
• 通过将原子受力最小化至10⁻² eV/Å，能量收敛至10⁻⁶ eV，完成结构优化。
• 在硅烯平面垂直方向施加外电场，以破坏反演对称性。
• 计算能带结构和态密度（DOS），以分析电子性质及能带隙的演化。

实验结果

研究问题

• RQ1 外加电场能否在原本具有线性狄拉克色散的半金属硅烯单层中打开能带隙？
• RQ2 硅烯的本征褶皱如何影响电场诱导的能带隙打开？
• RQ3 施加电场强度与所得能带隙之间的定量关系是什么？
• RQ4 硅烯的能带隙是否可在宽范围内调节，以满足实际纳米电子学应用需求？
• RQ5 在外加电场作用下，价带边和导带边相对于费米能级如何移动？

主要发现

• 优化后的硅烯单层呈现低褶皱结构，晶格常数为3.903 Å，键长为2.309 Å，键角为115.4°，表明存在sp²/sp³混合杂化特征。
• 亚晶格A与B之间的褶皱距离（d）为0.5 Å，这是在外加电场下实现反演对称性破缺的关键因素。
• 无外电场时，硅烯为半金属，在K点呈现线性狄拉克色散，证实其具有无质量狄拉克费米子行为。
• 施加垂直于平面的外电场后，由于反演对称性被破坏，在费米能级处打开能带隙。
• 能带隙随电场强度线性增加，比例常数为10.14 meV每V/nm，在5 V/nm时达到50.9 meV。
• 价带边和导带边均对称地远离费米能级移动，证实为直接且可调的能带隙。