[论文解读] Tellurene-a monolayer of tellurium from first-principles prediction

Zhili Zhu, Chengbin Cai+6 more|arXiv (Cornell University)|May 11, 2016

2D Materials and Applications参考文献 3被引用 13

一句话总结

本研究通过第一性原理计算预测了二硒化碲（tellurene），即一种单层碲的二维结构。该结构由交替的四元环和椅式六元环组成，具有1.04 eV的直接带隙，且载流子迁移率可通过应变有效调控，使其成为下一代纳米电子与光电器件的有前途候选材料。

ABSTRACT

A two dimensional (2D) Group-VI Te monolayer, tellurene, is predicted by using the first-principles calculations, which consists of planner four-membered and chair-like six-membered rings arranged alternately in a 2D lattice. The phonon spectra calculations, combined with ab initio molecular dynamics (MD) simulations, demonstrate that tellurene is kinetically very stable. The tellurene shows a desirable direct band gap of 1.04 eV and its band structure can be effectively tuned by strain. The effective mass calculations imply that tellurene should also exhibit a relatively high carrier mobility, e.g. compared with MoS2. The significant direct band gap and the high carrier mobility imply that tellurene is a very promising candidate for a new generation of nanoelectronic devices.

研究动机与目标

• 探索从第VI族氧族元素碲中形成稳定二维单层结构的可行性。
• 研究预测的二维二硒化碲相的结构、电子和动力学稳定性。
• 评估二硒化碲的电子能带结构及有效质量特性，以评估其在纳米电子器件中的潜在应用。
• 考察通过机械应变工程对带隙和载流子有效质量的可调性。
• 确定二硒化碲是否可作为MoS2等现有二维材料的高性能半导体替代品。

提出的方法

• 采用基于PBE交换关联泛函和PAW赝势的密度泛函理论（DFT）进行电子结构计算。
• 使用维也纳从头算模拟程序包（VASP）执行全结构弛豫，直至原子受力低于0.02 eV/Å。
• 通过声子色 dispersion 关系和300 K与1000 K下的从头算分子动力学（MD）模拟，评估其动力学稳定性和热稳定性。
• 采用DFT-D2方法以考虑二维体系中的范德华相互作用。
• 通过导带和价带极值附近能带结构的曲率计算有效质量。
• 施加双轴和单轴应变，以研究二硒化碲中带隙和有效质量的可调性。

实验结果

研究问题

• RQ1 是否存在一种稳定的元素碲二维单层结构？其原子结构如何？
• RQ2 预测的二硒化碲相在热涨落下是否具有动力学稳定性？
• RQ3 二硒化碲的电子能带结构如何？其是否具有适合光电器件应用的直接带隙？
• RQ4 机械应变如何影响二硒化碲的带隙和载流子有效质量？
• RQ5 二硒化碲在载流子迁移率和可调性方面是否优于现有二维半导体材料（如MoS2）？

主要发现

• 预测二硒化碲具有由平面四元环与椅式六元环交替构成的稳定二维结构。
• 声子谱和从头算MD模拟结果表明，二硒化碲在室温及以上温度下具有动力学稳定性。
• 该单层具有1.04 eV的直接带隙，有利于光子学与光电器件应用。
• 通过施加双轴或单轴应变，可有效调控二硒化碲的带隙，压缩应变下可实现从直接带隙到间接带隙的转变。
• 在压缩应变下，电子有效质量显著减小，在−10%应变时达到最小值0.36 m₀，表明其具有高载流子迁移率潜力。
• 空穴有效质量同样可调，在双轴压缩下从0.83 m₀降低至0.36 m₀，表明应变下载流子输运性能显著增强。