[论文解读] Strain-tunable direct band gap of ZnO monolayer in graphene-like honeycomb structure

Harihar Behera, Goutam Mukhopadhyay|arXiv (Cornell University)|Nov 28, 2011

2D Materials and Applications参考文献 2被引用 5

一句话总结

本研究利用密度泛函理论（LDA）研究了具有石墨烯样蜂窝结构的单层ZnO中的应变工程。结果表明，在面内双轴应变（±10%）作用下，直接带隙表现出强烈的非线性可调性，且在整个应变范围内保持直接带隙特性，未应变状态下的预测带隙为1.68 eV，为NEMS和NOMS应用中的可调谐光电器件提供了潜力。

ABSTRACT

Using full-potential density functional calculations within local density approximation (LDA), we found mechanically tunable band-gap in ZnO monolayer (ML-ZnO) in graphene-like honeycomb structure, by simulated application of in-plane homogeneous biaxial strain. Unstrained ML-ZnO was found to have a direct band gap of energy 1.68 eV within LDA; the actual band gap would be more, since LDA is known to underestimate the gap. Within our simulated strain limit of about plus or minus 10%, the band gap remains direct and shows a strong non-linear variation with strain. The results may find applications in future nano-electromechanical systems (NEMS) and nano-optomechanial systems (NOMS).

研究动机与目标

• 探索机械应变作为调节石墨烯样蜂窝晶格中单层ZnO电子能带结构的手段。
• 确定应变是否能够维持直接带隙，这对于光电器件中高效发光至关重要。
• 使用从头算计算量化带隙随应变的变化规律。
• 评估在纳米机电系统（NEMS）和纳米光机电系统（NOMS）中使用应变单层ZnO的可行性。

提出的方法

• 采用局域密度近似（LDA）下的全势密度泛函理论（DFT）模拟单层ZnO的电子结构。
• 对单层晶格施加从-10%到+10%的模拟面内均匀双轴应变。
• 计算不同应变条件下电子能带结构和态密度。
• 通过比较同一k点处导带最小值与价带最大值来评估带隙的直接性。
• 使用LDA泛函计算带隙，承认其已知的带隙低估倾向。
• 分析带隙对应变的非线性依赖关系，以识别调制效率。

实验结果

研究问题

• RQ1 面内双轴应变能否调节石墨烯样蜂窝结构中单层ZnO的带隙？
• RQ2 在施加应变时，带隙是否保持直接性，从而保留有利的光学特性？
• RQ3 带隙随应变的变化程度如何，其变化是线性还是非线性？
• RQ4 未应变状态下的带隙大小是多少，与实验预期相比如何？
• RQ5 应变诱导的带隙调制对NEMS和NOMS应用有何影响？

主要发现

• 在LDA下，具有石墨烯样蜂窝结构的未应变单层ZnO表现出1.68 eV的直接带隙，尽管实际带隙预计更大，因LDA存在带隙低估的已知问题。
• 在±10%的应变范围内，带隙保持直接性，表明在机械形变下具有结构和电子稳定性。
• 带隙表现出强烈的非线性应变依赖性，在施加应变范围内具有显著可调性。
• 结果表明，机械应变可作为动态调控单层ZnO光电子响应的控制旋钮。
• 该体系在应变下维持直接带隙的能力，使其成为纳米尺度光电子与电机械器件的有前途候选材料。
• 研究结果为未来NEMS和NOMS架构中设计应变工程的二维半导体器件开辟了新路径。