[论文解读] Strain-tunable band gap of a monolayer graphene analogue of ZnS monolayer

Harihar Behera, Goutam Mukhopadhyay|arXiv (Cornell University)|Oct 10, 2012

2D Materials and Applications参考文献 11被引用 4

一句话总结

本研究预测，在具有石墨烯类蜂窝晶格的单层ZnS结构上施加面内双轴应变，可诱导出一种可机械调控的带隙。带隙随应变增加线性减小，且在2.645%至3.171%的拉伸应变范围内发生从直接带隙到间接带隙的转变，从而实现二维半导体材料电子性质的应变工程调控。

ABSTRACT

Using first-principles full-potential density functional calculations, we predict that mechanically tunable band-gap is realizable in ZnS monolayer in graphene-like honeycomb structure by application of in-plane homogeneous biaxial strain. A transition point from direct-to-indirect gap-phase is predicted to exist for biaxial tensile strain lying in the interval (2.645%, 3.171%). In the two gap-phases, the band gap decreases with increasing strain and varies linearly with strain.

研究动机与目标

• 研究单层ZnS在石墨烯类蜂窝晶格结构下受机械应变作用时的电子能带结构。
• 确定应变是否可用于调节该二维材料的带隙。
• 识别发生直接-间接带隙转变的应变范围。
• 分析带隙随施加双轴应变的线性依赖关系。

提出的方法

• 采用第一性原理全势密度泛函理论（DFT）计算，模拟单层ZnS的电子结构。
• 系统地施加面内均匀双轴应变，覆盖一系列应变值，以探究其机械可调性。
• 在每个应变水平下计算能带结构和态密度，以评估带隙及其特性的变化。
• 通过分析导带最小值与价带最大值之间的能量差，确定直接与间接带隙之间的转变点。
• 对带隙与应变数据进行线性拟合，以确认带隙变化的线性趋势。
• 通过标准交换相关泛函及电子结构收敛性标准，对计算结果进行验证。

实验结果

研究问题

• RQ1 在具有石墨烯类蜂窝结构的单层ZnS中，机械应变是否可诱导出可调带隙？
• RQ2 该体系中带隙从直接转变为间接的应变水平是多少？
• RQ3 随着双轴拉伸应变的增加，带隙如何变化？
• RQ4 在研究范围内，带隙随应变的变化是否呈线性关系？
• RQ5 直接-间接带隙转变的临界应变范围是多少？

主要发现

• 在面内双轴应变作用下，具有石墨烯类蜂窝结构的单层ZnS可实现可机械调控的带隙。
• 在整个研究范围内，带隙随双轴拉伸应变的增加呈线性减小。
• 从直接带隙到间接带隙的转变发生在2.645%至3.171%的拉伸应变范围内。
• 在整个研究应变范围内，带隙保持有限且可调。
• 带隙与应变的线性依赖关系表明，可通过机械形变实现可预测且可控的电子工程。
• 预测的直接-间接带隙转变应变范围为设计应变敏感的二维光电器件提供了可行路径。