[论文解读] Electronic transport and dynamical polarization in bilayer silicene-like system

Chen-Huan Wu|arXiv (Cornell University)|Sep 17, 2018

Graphene research and applications参考文献 48被引用 3

一句话总结

本文利用包含层间跃迁和三重对称畸变的低能狄拉克模型，研究了带电杂质和外场作用下双层硅烯类体系中的电子输运与动力学极化。主要发现表明，强层间耦合诱导出抛物形能带色散，导致温度依赖的迁移率各向异性和由随机相位近似（RPA）控制的屏蔽效应，高温下声子散射占主导地位，通过形变势近似描述——这些结果同样适用于双层石墨烯和MoS₂。

ABSTRACT

We investigate the semiclassical electronic transport properties of the bilayer silicene-like system in the presence of charged impurity. The trigonal warping due to the interlayer hopping, and its effect to the band structure of bilayer silicene is discussed. Besides the trigonal warping, the external field also gives rise to the anisotropic effect of the mobility (at finite temperature) which can be explored by the Boltzmann theory. The dynamical polarization as well as the scattering wave vector-dependent screening within random phase approximation are very important in determining the scattering behavior and the self-consistent transport. We detailly discuss the transport behavior under the short- or long-range potential. The phonon scattering with the acoustic phonon mode which dominant at high temperature is also studied within the density functional theory (DFT). Our results are also valid for the bilayer graphene or bilayer MoS$_{2}$, and other bilayer systems with strong interlayer coupling.

研究动机与目标

• 理解层间跃迁和三重对称畸变对双层硅烯类体系能带结构与输运特性的影响。
• 通过玻尔兹曼输运理论研究带电杂质和外场如何影响电子迁移率与弛豫速率。
• 在随机相位近似（RPA）框架下计算动力学极化函数与波矢依赖的屏蔽效应。
• 利用费米黄金法则与形变势近似，建模有限温度下的电子-声子散射。
• 将研究结果推广至其他双层体系，如强层间耦合的双层石墨烯与MoS₂。

提出的方法

• 构建一个低能四带狄拉克哈密顿量，包含层间跃迁 $ t_\perp = 2 \, \text{eV} $、三重对称畸变 $ t_w = 0.16 \, \text{eV} $ 以及自旋-轨道耦合 $ \lambda_{\text{SOC}\perp} = 0.5 \, \text{meV} $。
• 利用马苏巴里形式与RPA框架下格林函数的迹，推导动力学极化函数 $ \Pi^{\text{bi}}(\mathbf{q}, i\Omega) $。
• 应用玻尔兹曼输运方程，计算在长程与短程杂质势作用下的温度依赖迁移率。
• 利用费米黄金法则结合形变势近似，计算有限温度下的电子-声子散射速率。
• 基于密度泛函理论分析声学声子模式，并比较硅烯与MoS₂中的电子-声子耦合。
• 求解有效哈密顿量的能谱 $ \varepsilon^{\pm} $，以确定能带色散与能隙打开。

实验结果

研究问题

• RQ1 层间跃迁与三重对称畸变如何影响双层硅烯的能带结构与费米面拓扑？
• RQ2 动力学极化与屏蔽在长程或短程杂质势作用下的输运行为中起何作用？
• RQ3 温度如何影响由带电杂质与声子散射引起的电子迁移率与弛豫速率？
• RQ4 双层硅烯的输运特性在多大程度上与双层石墨烯或MoS₂相似或相异？
• RQ5 外电场的存在如何改变体系中的载流子密度与屏蔽行为？

主要发现

• 由于强层间跃迁 $ t_\perp = 2 \, \text{eV} $，双层硅烯的能带结构表现出抛物形色散，导致显著的能隙与费米面几何形状的改变。
• 在RPA框架下，动力学极化表现出强烈的波矢与频率依赖性，长波长与有限温度下屏蔽效应占主导。
• 由于三重对称畸变，温度依赖的迁移率表现出各向异性，玻尔兹曼理论揭示了特定方向上背向散射减少与输运增强。
• 在高温下，电子-声子散射主要由声学声子主导，散射速率通过形变势近似与费米黄金法则导出。
• 当存在大能隙时，双层硅烯的静态极化在绝热极限下几乎与温度无关。
• 研究结果可推广至其他双层体系，如双层石墨烯与MoS₂，尤其在强层间耦合与相似能带结构的情况下。