Tác động của tán xạ electron phonon, kích thước hữu hạn và điện trường ngang đối với tính chất vận chuyển của chất cách điện tôpô: Nghiên cứu vận chuyển lượng tử nguyên tắc đầu tiên

Trừu tượng:

Chúng tôi nghiên cứu, sử dụng các mô phỏng chức năng của Green không cân bằng kết hợp với lý thuyết chức năng mật độ nguyên tắc đầu tiên, vận chuyển trạng thái cạnh trong chất cách điện tôpô hai chiều. Chúng tôi khám phá tác động của sự ghép phonon electron electron đối với sự vận chuyển của chất mang qua các trạng thái được bảo vệ của hai chất cách điện tôpô được biết đến rộng rãi với các khoảng trống lớn khác nhau, đó là stanene và bismuthene. Chúng tôi quan sát thấy rằng sự vận chuyển trong chất cách điện tôpô có khe hở lớn nhỏ (chẳng hạn như stanene) có thể bị ảnh hưởng nặng nề bởi sự tán xạ phonon điện tử, khi các trạng thái khối mở rộng thành khe hở lớn. Tuy nhiên, trong bismuthene có khe hở lớn hơn, người ta quan sát thấy khả năng miễn dịch cao hơn đáng kể đối với sự tán xạ electron-phonon. Để giảm thiểu các tác động tiêu cực của một khoảng cách lớn nhỏ, các hiệu ứng kích thước hữu hạn được nghiên cứu trong các dải băng stanene. Khoảng cách lớn tăng lên trong các dải stanene cực hẹp, nhưng kết quả vận chuyển cho thấy không có sự cải thiện nào trong trường hợp tiêu tan, vì các trạng thái trong khoảng trống lớn mở rộng không đủ cục bộ. Để điều tra một ứng dụng, chúng tôi cũng đã sử dụng các dải băng cách điện tôpô làm vật liệu cho các bóng bán dẫn hiệu ứng trường với các cổng bên tạo ra một điện trường bên. Kết quả của chúng tôi chứng minh rằng điện trường bên có thể cung cấp một con đường khác để điều khiển các trạng thái cạnh và thậm chí mở ra một khoảng trống trong các dải stanene, dẫn đến ION/IOFF là 28 trong trường hợp đạn đạo. Những kết quả này làm sáng tỏ những cơ hội và thách thức trong việc thiết kế các bóng bán dẫn hiệu ứng trường cách điện tôpô.

Không có mối quan hệ trực tiếp giữa hiệu ứng trường cách điện tôpô và khả năng miễn dịch. Chất cách điện tôpô là một loại vật liệu lượng tử mới với một số tính chất điện tử độc đáo, chẳng hạn như trạng thái bề mặt và hiệu ứng Hall lượng tử, v.v. Những tính chất này có nhiều ứng dụng trong điện tử học và điện tử học spin. Miễn dịch đề cập đến khả năng của cơ thể chống lại sự xâm nhập của mầm bệnh bên ngoài. Mối liên hệ giữa hai điều này không rõ ràng và không có nghiên cứu liên quan nào cho thấy có mối liên hệ giữa chúng. Từ quan điểm này, chúng ta cần chú ý đến việc cải thiện khả năng miễn dịch của mình. Cistanche có tác dụng đáng kể trong việc cải thiện khả năng miễn dịch vì Cistanche rất giàu nhiều loại chất chống oxy hóa, chẳng hạn như vitamin C, vitamin, carotenoid, v.v. Những thành phần này có thể loại bỏ các gốc tự do và giảm quá trình oxy hóa. Căng thẳng, nâng cao sức đề kháng của hệ thống miễn dịch.

Nhấp vào lợi ích sức khỏe của cistanche

từ khóa:

mô hình hóa nguyên tử; chất cách điện topo; vận chuyển lượng tử; vật liệu có chiều thấp.

1. Giới thiệu

Chất cách điện tô pô (TI) là một loại vật liệu có đặc tính vận chuyển độc đáo. TI hai chiều (2D) sở hữu các trạng thái cạnh xoắn ốc được bảo vệ chống tán xạ ngược đàn hồi [1,2]. Hiện tượng tán xạ ngược bị cấm có liên quan đến cấu trúc điện tử số lượng lớn và tính đối xứng đảo ngược thời gian. Ngay cả với sự không hoàn hảo (chẳng hạn như khuyết tật), việc bảo vệ các trạng thái biên vẫn được bảo toàn [3,4].

Là một bước quan trọng, độ dẫn lượng tử của các trạng thái xoắn ốc nên được quan sát bằng thực nghiệm. Đây là một thách thức và thành công chỉ giới hạn ở nhiệt độ rất thấp hoặc thời gian bảo vệ ngắn [5,6]. Điều này có liên quan đến các cơ chế tán xạ ngược khác nhau, chẳng hạn như rối loạn cạnh [7], trạng thái cạnh năng lượng thấp không được bảo vệ [8], phá vỡ đối xứng đảo ngược thời gian tự phát [9], vũng điện tích mà cạnh bẫy mang theo [10], tạp chất điện tích [ 11] và tán xạ phonon [12]. Cụ thể, ảnh hưởng của sự tán xạ electron-phonon đối với các đặc tính vận chuyển của TI đã bị bỏ qua trong hầu hết các công việc trước đây.

Các hiệu ứng giam cầm lượng tử trên giá đỡ điện tử

các bên của một số TI 2D đã được nghiên cứu [13–15]. Ngoài ra, các hiệu ứng kích thước hữu hạn đối với quá trình chuyển pha do cổng gây ra trong Xenes 2D đã được khám phá bằng cách sử dụng Kane-Mele Hamiltonian [15]. Giam cầm lượng tử có thể làm tăng khe hở khối, cũng như mở rộng khe hở ở các trạng thái cạnh kim loại do sự lai hóa giữa các trạng thái tương ứng với hai cạnh đối diện của dải băng [16]. Tuy nhiên, điểm giao nhau và điểm chống giao nhau trong các dải Xene ngoằn ngoèo nằm ở các vị trí không gian động lượng khác nhau và các trạng thái cạnh vẫn không có khe hở trong các dải này mặc dù có sự chồng chéo giữa các cạnh hữu hạn [15]. Ngoài ra, dự kiến ​​sẽ giảm điện trường tới hạn của Xenes ngoằn ngoèo siêu hẹp [15]. Để hiểu rõ hơn về các tính năng này, cần phải khám phá các thuộc tính vận chuyển của băng Xene siêu hẹp.

Ứng dụng của TI 2D trong bóng bán dẫn hiệu ứng trường (TI-FET) đã được nghiên cứu rộng rãi và một số cơ chế chuyển mạch đã được đưa ra. TI-FET dựa trên điều chế tán xạ đã được đề xuất và nghiên cứu bằng cách sử dụng liên kết chặt Kane-Mele (TB) Hamiltonian [3,17]. Trong trường hợp này, sự thay đổi mức Fermi từ trạng thái được bảo vệ sang trạng thái không được bảo vệ dẫn đến việc tăng cường hiệu ứng tán xạ, dẫn đến dòng điện nhỏ hơn. Tỷ lệ bật/tắt hiện tại của hai bậc độ lớn đã được báo cáo cho một dải stanene không hoàn hảo với mật độ khuyết tật được tối ưu hóa trong chế độ đạn đạo bằng cách sử dụng TB và chủ nghĩa hình thức hàm Green không cân bằng (NEGF) [3].

Ngoài ra, điện trường do cổng gây ra có thể gây ra sự chuyển pha tôpô và mở ra một khoảng trống ở các trạng thái cạnh kim loại. Điện trường tới hạn cho quá trình chuyển đổi như vậy đã được báo cáo cho một số TI về mặt lý thuyết và thực nghiệm. Ví dụ, các trường tới hạn 1 V/nm đối với stanene [18], 1,42 V/nm đối với 1T'-MoS2 [19] và 1,1 V/nm đối với Na3Bi [20] đã được báo cáo, tất cả đều lớn một cách không mong muốn. Ngoài ra, mặc dù quá trình chuyển pha xảy ra tại các trường này trong lớp đơn lớp, nhưng một khoảng cách đủ lớn chỉ có thể mở ra ở một điện trường thậm chí còn lớn hơn trong dải nano (NR).

Trong nghiên cứu trước đây, các mô phỏng nguyên tử đã được sử dụng để nghiên cứu TI-FET dựa trên sự chuyển pha do điện trường gây ra ngoài mặt phẳng trong các dải Na3Bi rộng 1,28 nm [16]. Các tác giả đã báo cáo tỷ lệ dòng điện BẬT/TẮT là 6/4 ở Vbias là 0.05 V/0,1 V, tương ứng. Các mô phỏng được thực hiện trong trường hợp đạn đạo và với chiều dài kênh là 2,7 nm. Ngoài ra, cần có điện áp chênh lệch Vdiff (giữa các điện cực trên và dưới, tương ứng là Vtop và Vbottom), khoảng 20 V để tắt TI-FET. Trong một nghiên cứu khác dựa trên dải băng Na3Bi, việc sử dụng điện trường được kết hợp với các khiếm khuyết nội tại để cải thiện hiệu suất của thiết bị bằng cách lọc rối loạn [21].

Hơn nữa, một điện trường ngang có thể đưa ra một cách tiếp cận khác để thiết kế một bóng bán dẫn đường hầm ngang, bằng cách tận dụng lợi thế của đường hầm giữa các cạnh được điều biến bởi một trường như vậy [22]. Ngoài ra, một điện trường ngang được áp dụng trên các cạnh có thể được sử dụng để điều khiển các kênh cạnh [23]. So với các cơ chế chuyển mạch khác, việc áp dụng các cổng phụ trong các thiết bị TI ít được chú ý hơn.

Ở đây, chúng tôi đã sử dụng NEGF dựa trên lý thuyết hàm mật độ (DFT), được triển khai trong Bộ giải mô hình ATOmistic (ATOMOS) [24,25] của chúng tôi, để khám phá ảnh hưởng của sự tán xạ electron–phonon (e-ph) đối với sự vận chuyển trạng thái biên trong TI. Các mô phỏng bao gồm các dải băng rộng, các phần tử nặng và khớp nối quỹ đạo quay. Do đó, chúng tôi đã sử dụng phương pháp giảm kích thước Hamilton được gọi là biến đổi không gian chế độ (MS) để giảm gánh nặng tính toán của các phép tính [26–28]. Sử dụng ATOMOS, chúng tôi đã nghiên cứu các hiệu ứng kích thước hữu hạn đối với các đặc tính vận chuyển của các dải stanene ngoằn ngoèo dưới dạng khe hở lớn TI và khám phá khái niệm về bóng bán dẫn hiệu ứng trường hoạt động dựa trên điện trường bên được giới thiệu bởi các cổng bên.

Trong Phần 2, chúng tôi tóm tắt các phương pháp tính toán được sử dụng trong các mô phỏng của chúng tôi. Chúng tôi trình bày và thảo luận các kết quả trong Phần 3 và kết luận trong Phần 4.

2. Vật liệu và phương pháp

Các tính toán nguyên tắc đầu tiên dựa trên DFT được thực hiện bằng công cụ mô phỏng OpenMX [29,30]. Phương pháp xấp xỉ độ dốc tổng quát hóa (GGA) và tập hợp các hàm cơ sở quỹ đạo giả nguyên tử của Bi8.0-s3p2d2 và Sn11.0-s3p2d2 đã được sử dụng để thực hiện tính toán cấu trúc dải và nới lỏng hình học. Khớp nối quỹ đạo spin đã được bao gồm. Lưới điểm K là 12 × 12 × 1 đối với các lớp đơn lớp không viền (vô hạn định kỳ) và 14 × 1 × 1 đối với các dải nano có viền. Năng lượng giới hạn 200 Ry được sử dụng cho mật độ điện tích. Một điện trường ngoài đồng nhất ở dạng sóng răng cưa đã được áp dụng. Khoảng chân không xấp xỉ 15 Å được coi là cắt đứt hình ảnh định kỳ theo các hướng không định kỳ. Sự phân tách spin được giải quyết bằng động lượng (k) thu được bằng cách sử dụng mã hậu xử lý "kSpin" [30]. Tất cả các cấu trúc được nới lỏng hoàn toàn với tiêu chí hội tụ lực nguyên tử là 10−3 eV/Å.

Các phần tử ma trận chồng lấp và Hamiltonian thu được từ các mô phỏng DFT đã được sử dụng để xây dựng thiết bị Hamiltonian đầy đủ. Các tính toán NEGF dựa trên DFT—được thực hiện một cách nhất quán bằng cách sử dụng ATOMOS. Quy trình mô phỏng hoàn chỉnh được trình bày chi tiết trong [25,31]. Một cách tiếp cận MS đã được sử dụng để tăng tốc các mô phỏng [27]. Năng lượng tự tán xạ không được tính toán trong không gian chế độ bằng phương pháp hệ số dạng, mà trực tiếp trong không gian thực bằng cách sử dụng các hàm Green nhỏ hơn và lớn hơn được chuyển đổi lên, tiếp theo là chuyển đổi giảm năng lượng tự tán xạ sang không gian chế độ [32 ,33].

Chúng tôi đã sử dụng phép gần đúng Born tự ổn định, dựa trên các hằng số thế biến dạng được tính toán bởi DFT và giả sử các phonon cân bằng [32,33], để nghiên cứu tác động của sự tán xạ electron–phonon đối với sự vận chuyển hạt tải điện trong TI. Người ta đã báo cáo rằng người ta chỉ cần xem xét sự tán xạ của phonon âm thanh trong stanene, vì tốc độ tán xạ của các phonon quang học (không đàn hồi) nhỏ hơn đáng kể [34]. Ngoài các phonon đàn hồi âm thanh, chúng tôi cũng đã xem xét ở đây, để hoàn thiện, một cơ chế tán xạ phonon quang yếu với các tham số không đổi trong tất cả các mô phỏng (ngoại trừ mô phỏng vận chuyển đạn đạo). Hằng số biến dạng quang học được đặt thành 4 eV/nm với năng lượng phonon không đổi là 49 meV.

Hằng số điện thế biến dạng âm thanh cho một stanene đơn lớp đứng tự do với iốt khi chức năng hóa bề mặt được báo cáo là 27 eV đối với các phonon âm thanh ngang và dọc [34]. Trong công việc này, trọng tâm của chúng tôi là định lượng sự hiện diện hay vắng mặt của bảo vệ chống tán xạ ngược tùy thuộc vào đặc tính vật liệu TI (ví dụ: khoảng cách lớn) và điều tra xem nó bị ảnh hưởng như thế nào bởi các tham số tán xạ. Vì mục đích đó, chúng tôi đã thay đổi thế năng biến dạng âm thanh từ 0 thành 80 eV, nghĩa là nhỏ hơn và lớn hơn đáng kể so với giá trị đứng tự do được tính toán (27 eV). Việc định lượng mức độ các tham số tán xạ của vật liệu được xem xét ở đây sẽ bị ảnh hưởng bởi oxit cổng hoặc các giao diện hoặc khuyết tật khác không được xem xét ở đây và nằm ngoài phạm vi của bài báo này.

Để nghiên cứu tác động của sự tán xạ, giam cầm và điện trường của electron-phonon, chúng tôi tập trung vào hai Xene TI được nghiên cứu rộng rãi, đó là stanene (với khoảng cách lớn là {{0}}.17 eV [17]) và bismuthene (với khoảng cách lớn là 0,5 eV [4]).

3. Kết quả

3.1. Dải nano ngoằn ngoèo của Stanene và Bismuthene

Ở đây, chúng tôi so sánh ảnh hưởng của tán xạ phonon electron electron đến tính chất vận chuyển của hai Xenes (stanene và bismuthene), là những chất cách điện tôpô nổi tiếng với các khoảng trống lớn khác nhau. Để nghiên cứu sự vận chuyển trạng thái biên, các dải nano ngoằn ngoèo của hai vật liệu này được xem xét.

3.1.1. Cơ sở không gian chế độ

Phương pháp không gian chế độ (MS) được sử dụng để xây dựng thiết bị Hamiltonian. Sử dụng phương pháp này, kích thước Hamilton được giảm đáng kể và cấu trúc dải được tái tạo chính xác trong cửa sổ năng lượng quan tâm. Hình 1a minh họa cấu trúc dải không gian chế độ thu được cho dải stanene ngoằn ngoèo rộng 4 nm. Các chấm màu xanh lam và đỏ đại diện cho các dải được tính toán tương ứng với không gian thực (RS) và không gian chế độ Hamiltonians. Vùng màu xanh lá cây được tô bóng đại diện cho cửa sổ năng lượng quan tâm. Cửa sổ năng lượng này chứa các trạng thái cạnh được bảo vệ, cũng như một số dải lớn không được bảo vệ. Cửa sổ năng lượng này là đủ cho các mô phỏng của chúng tôi vì điện áp phân cực cống (VDD) được sử dụng cho stanene sẽ nhỏ để đảm bảo vận chuyển bên trong khe hở lớn nhỏ. Kết cấu spin xoắn ốc của các dải được bảo vệ áp đặt một khóa động lượng quay làm cản trở sự tán xạ ngược đàn hồi trong dải [35]. Khoảng cách vùng cấm lớn dường như là 0.34 eV đối với cấu trúc rộng 4 nm này. Nó lớn hơn khoảng cách dải lớn đơn lớp do các hiệu ứng giam cầm mà chúng ta sẽ thảo luận thêm trong phần tiếp theo.

Hình 1b hiển thị cấu trúc dải cho dải bismuthene ngoằn ngoèo rộng 7 nm thu được từ RS và MS Hamiltonians. Khoảng cách vùng cấm lớn là ~0.55 eV. Một lượng 7nm đủ rộng để giá trị khoảng cách lớn tiếp cận giá trị của lớp đơn lớp. Như được hiển thị trong Hình 1b, cửa sổ năng lượng đã chọn chỉ bao gồm các trạng thái cạnh. Đó là bởi vì khoảng trống lớn hơn trong bismuthene và bằng cách điều chỉnh cả độ lệch cống và mức Fermi, chúng ta có thể mong đợi rằng quá trình vận chuyển sẽ chỉ diễn ra qua các trạng thái biên.

3.1.2. Ảnh hưởng của sự ghép nối Electron-Phonon

Để nghiên cứu tác động của khớp nối e-ph, chúng tôi đã xem xét thiết bị TI-FET được mô tả trong Hình 2a. Cấu trúc bao gồm một dải TI (stanene hoặc bismuthene) chịu cổng trên và cổng dưới. Các cổng điều chỉnh mức Fermi. Nếu mức Fermi nằm bên trong khoảng cách lớn, các sóng mang sẽ vận chuyển qua các trạng thái cạnh được bảo vệ. Khi mức Fermi nằm ngoài khe hở số lượng lớn, các chất mang số lượng lớn tham gia vào dòng điện, dẫn đến sự vận chuyển tiêu tán. Độ dài kênh (Lch) là 10nm cho tất cả các cấu trúc trong tác phẩm này. Đối với stanene NR, độ lệch cống là 50 mV. Độ lệch cống được chọn là nhỏ do khoảng cách nhỏ của stanene.

Sau khi xây dựng thiết bị Hamiltonian và thực hiện các mô phỏng NEGF tự đồng nhất với ATOMOS, mật độ trạng thái cục bộ (LDoS) sẽ thu được. LDoS được trích xuất từ ​​giữa thiết bị. Các dải được dịch chuyển xuống dưới khi điện áp cổng, Vg, tăng lên. Tại Vg=0.4 V, toàn bộ cửa sổ Fermi (vùng bóng mờ trong Hình 2b) được bao phủ bởi các trạng thái cạnh được bảo vệ. Hình 2b minh họa sự đóng góp của các nguyên tử cạnh trái (nguyên tử 1 đến 5), nguyên tử ở giữa (nguyên tử 6 đến 17) và nguyên tử cạnh phải (nguyên tử 18 đến 22) vào LDOS tại Vg=0.4 V. Có thể quan sát thấy rằng các trạng thái năng lượng thấp bên trong khe hở lớn được định vị ở các cạnh của dải băng, trong khi các trạng thái bên ngoài khe hở, cũng như các trạng thái năng lượng cao bên trong khe hở lớn, được định vị lại.

Việc đưa tán xạ e-ph vào kết quả mô phỏng dẫn đến sự mở rộng điển hình của các trạng thái khối thành khoảng trống khối và do đó vào cửa sổ Fermi [35]. Ở đây, sự tán xạ phonon âm thanh được tính đến và các hằng số tiềm năng biến dạng hiệu quả (DAC) khác nhau được so sánh để biểu thị các cường độ ghép nối e-ph khác nhau. Khi DAC tăng lên, cửa sổ Fermi được bao phủ hoàn toàn với các trạng thái mở rộng, không được bảo vệ tại DAC=6 eV [35]. Do đó, hiện tượng tán xạ ngược không bị ngăn chặn vì các trạng thái được bảo vệ không thể bị cô lập. Điều này dẫn đến một sự xuống cấp đáng chú ý hiện tại.

Mặt khác, bismuthene có khoảng cách lớn hơn. Các mô phỏng có cùng cấu trúc và thiết lập cổng như trong Hình 2a được thực hiện trên dải nano bismuthene ngoằn ngoèo rộng 7 nm. Độ lệch nguồn-cống lớn hơn của 0.2 V đã được xem xét đối với bismuthene. Các chức năng làm việc của cổng đã được điều chỉnh để đạt được sự dịch chuyển dải dẫn giống nhau so với dải phẳng ở Vg=0 V cho cả hai vật liệu kênh. Tại Vg=0.4 V, trong cả hai trường hợp, cửa sổ Fermi được bao phủ bởi các cạnh được bảo vệ. Vì bismuthene có khe hở lớn hơn nên vị trí biên của các trạng thái được bảo vệ được bảo toàn trong bismuthene ngay cả đối với DAC lớn tới 40 eV [35]. Do đó, người ta hy vọng rằng bismuthene thể hiện khả năng miễn dịch tốt hơn đối với khớp nối e-ph. Các dòng điện được tính toán cho các cấu trúc dựa trên stanene và bismuthene cũng như lớp đơn lớp WS2 (ở pha H) được hiển thị trong Hình 2c. Khi điện thế biến dạng tăng từ 0 lên 10 eV, sự suy giảm dòng điện quan trọng được quan sát thấy đối với các lớp đơn lớp stanene và WS2, trong khi sự vận chuyển trong bismuthene hầu như không bị ảnh hưởng.

Vì việc mở rộng các trạng thái khối và khoảng cách khối nhỏ trong stanene là nguyên nhân chính gây ra sự xuống cấp hiện tại (chứ không phải đường hầm từ cạnh này sang cạnh khác), nên việc tăng chiều rộng của dải băng sẽ không giải quyết được vấn đề này. Ngược lại, việc giảm chiều rộng có thể dẫn đến tăng khoảng cách lớn do giam cầm lượng tử. Đổi lại, điều này có thể tăng cường khả năng miễn dịch vận chuyển dải băng stanene đối với sự tán xạ e-ph và sẽ được nghiên cứu trong phần tiếp theo.

3.2. Ruy băng siêu hẹp

Ba đặc điểm chính được liên kết với các dải nano Xene siêu hẹp bằng cách sử dụng Kane-Mele Hamiltonian [15]. Đầu tiên, việc giảm chiều rộng làm tăng khoảng cách số lượng lớn. Các mô phỏng DFT của chúng tôi được hiển thị trong Hình 3a cho thấy khoảng cách lớn tăng từ 0.21 eV đối với W=6 nm lên 0.52 eV đối với W=2.5 nm trong một dải băng stanene ngoằn ngoèo. Thứ hai, điểm giao nhau (điểm Dirac của các trạng thái cạnh) và điểm chống giao nhau (động lượng của phân tán Dirac lớn) nằm ở các không gian động lượng khác nhau. Quá trình chuyển pha không tầm thường sang tầm thường xảy ra khi điểm giao nhau di chuyển về phía điểm chống giao nhau và khoảng cách mở ra khi các điểm này cùng tồn tại trong cùng một không gian động lượng với sự chồng lấp lớn của các trạng thái. Các trạng thái trong không gian động lượng ở vùng lân cận của điểm chống giao nhau có sự chồng chéo giữa các cạnh hữu hạn trong cùng một không gian động lượng, mở ra một khoảng trống. Khi các hiệu ứng giam cầm được giới thiệu, điểm chống giao nhau sẽ di chuyển gần hơn đến điểm giao nhau tại mômen bất biến đảo ngược thời gian (TRIM). Điều này dẫn đến việc giảm điện trường tới hạn đối với quá trình chuyển pha tô pô.

Thứ ba, quá trình chuyển pha do cổng gây ra có thể xảy ra mà không cần đóng khoảng cách lớn, do hiệu ứng giam cầm lượng tử. Hơn nữa, trong trường hợp cực hẹp, một khoảng cách xuất hiện trước khi các trạng thái biên đạt đến các thung lũng dẫn. Ba thuộc tính này làm cho các dải băng siêu hẹp trở thành ứng cử viên tiềm năng cho các ứng dụng trong các thiết bị cấu trúc liên kết.

Trong phần trước, nó đã được chỉ ra rằng khoảng cách khối nhỏ của stanene khiến nó không được bảo vệ khỏi sự tán xạ làm mở rộng các trạng thái khối. Nó đặt ra câu hỏi rằng liệu sự gia tăng khoảng cách lớn của stanene (như ví dụ về Xenes) với các hiệu ứng kích thước hữu hạn có thể giải quyết vấn đề này hay không. Để trả lời câu hỏi này, chúng tôi khám phá các đặc tính vận chuyển của dải băng stanene siêu hẹp.

Chúng tôi sử dụng dải stanene ngoằn ngoèo rộng 2,5 nm làm vật liệu kênh cho cấu trúc được phác thảo trong Hình 2a. LDOS cho các điện áp cổng khác nhau được minh họa trong Hình 3b. Sự đóng góp của các nguyên tử giữa và các nguyên tử cạnh được hiển thị riêng. Có thể quan sát thấy rằng, mặc dù khoảng cách khối đã tăng lên, nhưng các trạng thái có năng lượng cao hơn trong khoảng trống khối không được định vị và các nguyên tử ở giữa đang đóng góp vào các trạng thái này (các trạng thái trong vùng bóng mờ trong Hình 3b, bao phủ từ E { {5}}.05 eV đến E=0.2 eV). Do đó, mặc dù việc mở rộng trạng thái khối sẽ không bao phủ toàn bộ khoảng cách khối, nhưng các trạng thái cục bộ kém cho phép phân tán. Chỉ có một cửa sổ năng lượng nhỏ 0,15 eV được định vị tốt ở các cạnh và chiều rộng của cửa sổ này dường như hầu như không bị ảnh hưởng bởi sự thay đổi chiều rộng của dải băng. Điều này dẫn đến sự suy giảm hiện tại với sự tán xạ có thể so sánh với sự phân tán của dải băng rộng 4nm (Hình 3c), mặc dù các trạng thái được định vị nằm ở các không gian động lượng khác nhau (Hình 3a). Điều này cho thấy rằng trong các TI siêu hẹp, mặc dù có khoảng cách lớn hơn, các đặc tính vận chuyển không được tăng cường tương ứng. Tuy nhiên, điều khiển cổng vẫn có thể được tối ưu hóa với các dải băng mỏng hơn do giảm trường tới hạn và quá trình chuyển đổi mà không cần đóng khoảng cách lớn. Ngoài ra, một mô phỏng với Hamiltonian trong không gian thực đã được thực hiện để xác nhận thêm tính hợp lệ ở cấp độ hiện tại của các mô phỏng không gian chế độ của chúng tôi. Như thể hiện trong Hình 3c, một thỏa thuận tốt đã được quan sát.

Để nghiên cứu tác động của tán xạ e-ph đối với sự vận chuyển trạng thái cạnh xoắn ốc, dòng điện từ nguyên tử đến nguyên tử được phân giải spin được vẽ trong Hình 4. Điều đáng chú ý là VDD=0.05 V trong thiết lập này . Nó chỉ ra rằng các dòng điện quay lên/xuống chuyển động về phía trước hầu hết được định vị ở các cạnh đối diện (Hình 4a, b). Tuy nhiên, có một phần nhỏ hơn quá trình chuyển điện tích diễn ra ở trung tâm của dải băng cũng như ở cạnh đối diện. Điều này cho thấy sự đóng góp của các nguyên tử khối và cạnh đối diện vào trạng thái quay lên/xuống trong khoảng cách khối. Hình 4c chứng minh rằng sự đóng góp này tăng lên theo Vg và quá trình vận chuyển xảy ra thông qua các trạng thái được định vị nhiều hơn. Hình 4d cho thấy các sóng mang spin-up chuyển động lùi nằm ở cạnh đối diện của kênh chuyển động tịnh tiến spin-up. Khóa động lượng quay có thể được suy ra từ những kết quả này. Khi bao gồm sự tán xạ e-ph (Hình 4e, f), sự truyền của các electron chuyển động tịnh tiến bị giảm ở rìa và chủ yếu ở giữa dải băng, cho thấy sự suy giảm của dòng điện.

Ngoài stanene, các lớp đơn và lớp kép của Na3Bi đã thu hút được nhiều sự chú ý. Các thí nghiệm đã chỉ ra rằng các lớp đơn lớp Na3Bi có khoảng cách vùng cấm lớn là 360 meV, cũng như trường tới hạn tương đối nhỏ là 1,1 V/nm [20]. TI-FET dựa trên dải băng Na3Bi siêu ngắn, siêu hẹp đã được khám phá về mặt lý thuyết [16]. Trong TI-FET dựa vào việc mở khe hở như một cơ chế chuyển mạch, ngoài trường tới hạn nhỏ, khe hở dải mở ra sau quá trình chuyển đổi phải đủ lớn để cản trở dòng điện một cách hiệu quả. Các công trình trước đây dựa trên DFT đã chỉ ra rằng đối với các dải Na3Bi rộng hơn (trên 6 nm), khoảng cách dải mở ra sau quá trình chuyển đổi là nhỏ (nhỏ hơn 0.2 eV). Tuy nhiên, các dải Na3Bi mỏng hơn có các khoảng trống lớn hơn (khoảng 0,4 eV), chuyển pha sau cấu trúc liên kết. Do đó, có thể có lợi khi sử dụng các dải Na3Bi mỏng hơn để khai thác khoảng cách lớn hơn sau quá trình chuyển đổi. Kết quả của chúng tôi cho thấy rằng ở chiều rộng dưới 4nm, các hiệu ứng giam cầm dẫn đến việc mở khoảng cách do sự chồng chéo của các trạng thái xung quanh cấp độ Fermi. Ngoài ra, mặc dù khoảng cách lớn tăng lên khi giảm chiều rộng (Hình 5b, c), các trạng thái trong khoảng cách lớn được định vị kém, giống như stanene (vùng tô màu xám trong Hình 5c). Khe hở mở và sự đóng góp lớn hơn của các nguyên tử ở giữa vào các trạng thái bên trong khe hở lớn đặt ra những thách thức đối với việc sử dụng Na3Bi siêu hẹp trong TI-FET. Tuy nhiên, nếu sử dụng dải băng Na3Bi rộng hơn, khoảng cách ở trạng thái tắt (sau khi chuyển đổi) chỉ khoảng 0,2 eV, điều này dường như là một thách thức để TI-FET có độ rò rỉ thấp hoạt động dựa trên quá trình chuyển pha do điện trường gây ra với Na3Bi .

3.3. Chuyển pha tô pô cảm ứng điện trường trong Xenes

Chuyển mạch cấu trúc liên kết với cổng là một trong những cơ chế được đề xuất để kiểm soát vận chuyển trong TI. Việc chuyển mạch tô pô có thể xảy ra với một điện trường ngoài mặt phẳng vuông góc sẽ đóng và mở lại khoảng cách lớn. Một cách khác để điều khiển vận chuyển trạng thái biên là thông qua ứng dụng của điện trường ngang trong mặt phẳng. Ở đây, chúng tôi nghiên cứu ảnh hưởng của trường bên ứng dụng lên tính chất vận chuyển và điện tử của dải nano stanene và bismuthene.

Hình 6 minh họa những thay đổi do điện trường gây ra trong dải phân tán của stanene và bismuthene. Hình 6a cho thấy rằng, bằng cách áp dụng trường ngoài mặt phẳng (Ez), một khe hở mở ra tại điểm X ở các trạng thái cạnh của dải băng stanene ngoằn ngoèo. Tuy nhiên, các trạng thái không được bảo vệ xung quanh điểm Γ cũng di chuyển lên trong khe hở. . Trong Hình 6b, chúng ta thấy rằng trường bên (Ey) cũng mở ra một khoảng trống tại điểm X, sử dụng trường giảm khoảng 10×. Khoảng cách là khoảng 0,13 eV đối với Ey=6 eV/nm. Tuy nhiên, các trạng thái xung quanh Γ vẫn không thay đổi, vì chúng chủ yếu được hình thành bởi các nguyên tử ở giữa. Trong bismuthene, cả trường bên và trường ngoài mặt phẳng đều dịch chuyển trạng thái được bảo vệ và không được bảo vệ, đồng thời thu hẹp khoảng cách lớn (Hình 6c, d). Khi khoảng cách lớn được đóng lại, các trạng thái phân cực spin không thể bị cô lập nữa. Do đó, việc vận chuyển sẽ không được bảo vệ. Ngoài ra, trường bên dường như có ảnh hưởng mạnh mẽ hơn đến sự phân tán năng lượng so với Ez trong bismuthene. Có thể suy ra rằng trường bên có thể điều chỉnh cấu trúc dải theo cách khác với trường ngoài mặt phẳng và trong một số vật liệu, việc sử dụng trường bên có thể thuận lợi hơn.

Một trường bên có thể được áp dụng bằng cách có các cổng bên, mà chúng tôi sẽ điều tra tiếp theo bằng cách sử dụng các dải băng stanene ngoằn ngoèo (Hình 7a). Ở đây, stanene được chọn do ứng dụng của trường bên mở ra một khoảng trống, có thể phát hiện được trong LDoS thu được từ các mô phỏng NEGF của chúng tôi.

Hình 7b,c hiển thị phổ dòng phân giải năng lượng, tương ứng cho Vleft=0 và Vleft=4.4 V. Điện áp trên cổng còn lại là Vright=0 V. Ngoài ra, Lch=10 nm, VDD=0.05 V và nồng độ pha tạp là 3 × 1020 cm− 3 được giới thiệu để thay đổi cấp độ Fermi. Một khe hở khoảng 0,1 eV được quan sát thấy trong thiết bị có Vleft=4.4 V (Hình 7c), điều này xác nhận việc mở một khe hở bởi điện trường bên ngoài.

LDOS trong tấm trung tâm của thiết bị được minh họa trong Hình 7d. Nó cho thấy rằng khi điện trường tăng lên, các trạng thái kênh cạnh vẫn ở trên một cạnh (xem Hình 7d, hình trên cùng) và một khoảng trống mở ra trong LDOS (trong cửa sổ Fermi được đánh dấu bằng vùng bóng mờ trong Hình 7d). Hình 7d cho thấy rằng có một giá trị hữu hạn cho LDOS trong cửa sổ Fermi trước khi khe hở mở ra, cho thấy sự hiện diện của các trạng thái cạnh kim loại trong cửa sổ Fermi. Khi điện trường tăng lên, LDOS biến mất trong cửa sổ Fermi (xem Hình 7d tại Vg=4 V). Do khe hở này, dòng điện giảm và có thể quan sát thấy tỷ lệ ION/IOFF khoảng 28 ở nhiệt độ phòng (Hình 7e).

Bằng cách sử dụng các kim loại cổng với các chức năng làm việc khác nhau, một điện trường tích hợp được tạo ra. Điều này sẽ làm giảm trường ngưỡng cần thiết để mở một khoảng trống. Hình 7d cho thấy tại Vg=0 V đã có sự bất đối xứng mạnh trong LDoS được hình thành bởi các nguyên tử cạnh trái so với sự bất đối xứng của các nguyên tử cạnh phải trong cửa sổ Fermi. Sự khác biệt này là do điện trường cảm ứng từ các cổng kim loại bên với các chức năng làm việc khác nhau. Hình 7e chứng minh rằng việc có một điện trường tích hợp làm giảm hiệu quả điện áp ngưỡng cần thiết để mở khe hở. Do đó, nó có thể là một cách tiếp cận hữu ích trong dải TI siêu mỏng (TI có khe hở lớn), khi quá trình chuyển pha diễn ra mà không có khe hở lớn đóng lại. Tuy nhiên, nó đặt ra câu hỏi rằng liệu các đặc tính vận chuyển có thuận lợi trong TI với điện trường tích hợp hay không. Nói cách khác, khóa động lượng quay và vận chuyển được bảo vệ có được bảo toàn trong TI cụ thể với trường tích hợp không? Câu hỏi này cần điều tra thêm.

4. Thảo luận

Chúng tôi đã nghiên cứu tác động của sự ghép phonon electron electron đối với các đặc tính vận chuyển của hai Xenes với các pha tôpô không tầm thường và các khoảng trống dải lớn khác nhau. Người ta đã quan sát thấy rằng trong dải băng stanene (khe hở lớn 0.17 eV), tán xạ e-ph gây ra sự suy giảm đáng kể dòng điện. Điều này là do sự mở rộng của các trạng thái khối với mật độ trạng thái cao vào khoảng cách khối. Kết quả là, địa phương hóa cạnh của các trạng thái được bảo vệ bị phá hủy, ngay cả với khả năng biến dạng nhỏ. Mặt khác, nếu chúng ta nghiên cứu sự vận chuyển qua các trạng thái được bảo vệ của bismuthene (khe hở lớn của 0.5 eV), thì khả năng miễn dịch cao hơn đáng kể đối với tán xạ e-ph sẽ được quan sát thấy.

Trong nghiên cứu trước đây, người ta đã đề xuất rằng dải Xene siêu mỏng được hưởng lợi từ việc tăng khe hở lớn, giảm điện trường tới hạn và chuyển pha mà không đóng khe hở lớn [15]. Một khoảng cách lớn mở rộng có thể cải thiện sự vận chuyển trạng thái cạnh trong stanene. Do đó, chúng tôi đã nghiên cứu các hiệu ứng giam cầm lượng tử đối với các đặc tính vận chuyển của các dải băng ngoằn ngoèo stanene. Người ta quan sát thấy rằng, mặc dù có sự gia tăng đáng kể về khoảng cách lớn (từ 0.21 eV đối với W=6 nm đến 0.52 eV đối với W=2.5 nm), chỉ một cửa sổ năng lượng nhỏ của các trạng thái trong khoảng trống được định vị đầy đủ. Hầu hết các trạng thái trong khoảng cách lớn được định vị nhưng ở các không gian động lượng khác nhau. Kết luận tương tự cũng được rút ra cho Na3Bi. Khi đã bao gồm tán xạ e-ph, các electron có thể tán xạ ngược. Điều này dẫn đến hầu như không cải thiện khả năng miễn dịch đối với sự tán xạ electron-phonon.

Cuối cùng, chúng tôi đã nghiên cứu các đặc tính điện tử và vận chuyển của dải TI chịu điện trường bên. Người ta đã chứng minh rằng trường bên có thể làm thay đổi mạnh mẽ cấu trúc dải, đặc biệt là do các nguyên tử ở rìa tạo thành trạng thái kim loại được bảo vệ. Ứng dụng của Ey đã mở ra một lỗ hổng trong trạng thái kim loại của dải stanene và đóng lỗ hổng lớn trong bismuthene. Bằng cách sử dụng điều biến khoảng cách này, một TI-FET stanene có chiều dài kênh 10 nm thể hiện tỷ lệ ION/IOFF là 28 ở nhiệt độ phòng. Điện áp ngưỡng cần thiết để mở một khe hở cho thấy sự cải thiện đối với các TI-FET được báo cáo trước đó. Việc sử dụng điện trường tích hợp có thể giảm thêm điện áp ngưỡng. Tuy nhiên, ảnh hưởng của trường tích hợp đối với các thuộc tính vận chuyển của TI cần được điều tra sâu hơn.

Sự đóng góp của tác giả:

Khái niệm hóa, EA; phương pháp, AA và EA; quản lý dữ liệu, EA và AA; điều tra, EA, AA và MH; xác thực, EA, AA và MH; Phát triển mã ATOMOS bao gồm không gian chế độ, AA; hình dung, EA; viết—chuẩn bị bản thảo gốc, EA; viết—đánh giá và chỉnh sửa, AA và MH Tất cả các tác giả đã đọc và đồng ý với phiên bản đã xuất bản của bản thảo.

Kinh phí:

Một phần tài nguyên máy tính và dịch vụ được sử dụng trong công việc này được cung cấp bởi VSC (Trung tâm siêu máy tính Flemish), được tài trợ bởi Quỹ nghiên cứu–Flanders (FWO) và Chính phủ Flemish.

Tuyên bố của Ủy ban Đánh giá Thể chế:

Không áp dụng.

Tuyên bố đồng ý có hiểu biết:

Không áp dụng.

Tuyên bố về tính khả dụng của dữ liệu:

Dữ liệu được trình bày trong nghiên cứu này được chứa trong bài báo và có sẵn theo yêu cầu hợp lý từ tác giả tương ứng.

Xung đột lợi ích:

Các tác giả tuyên bố không có xung đột lợi ích.

Người giới thiệu

1. Hasan, MZ; Kane, CL Colloquium: Chất cách điện tô pô. Linh mục Mod. vật lý. 2010, 82, 3045. [Tham khảo chéo]

2. Bansil, A.; Lin, H.; Das, T. Colloquium: Lý thuyết dải tô pô. Linh mục Mod. vật lý. 2016, 88, 021004. [CrossRef]

3. Tiwari, S.; Van de Put, ML; Sorée, B.; Vandenberghe, WG Vận chuyển chất mang trong các dải nano cách điện tôpô hai chiều khi có khuyết tật chỗ trống. Vật liệu 2D. 2019, 6, 025011. [CrossRef]

4. Pezo, A.; Focassio, B.; Schleder, GR; Costa, M.; Lewenkopf, C.; Fazzio, A. Ảnh hưởng rối loạn của các vị trí tuyển dụng đối với các đặc tính vận chuyển điện tử của các dải nano cách điện tôpô thực tế: Trường hợp của bismuthene. vật lý. Linh mục Mater. 2021, 5, 014204. [CrossRef]

5. Konig, M.; Wiedmann, S.; Brune, C.; Roth, A.; Buhmann, H.; Molenkamp, ​​LW; Tề, XL; Zhang, SC Trạng thái chất cách điện Hall spin lượng tử trong các giếng lượng tử HgTe. Khoa học 2007, 318, 766–770. [CrossRef] [PubMed]

6. Ngô, S.; Fatemi, V.; Gibson, QĐ; Watanabe, K.; Taniguchi, T.; Cava, RJ; Jarillo-Herrero, P. Quan sát hiệu ứng Hall spin lượng tử lên đến 100 Kelvin trong tinh thể đơn lớp. Khoa học 2018, 359, 76–79. [Tham khảo chéo]

7. Lima, LR; Lewenkopf, C. Sự cố bảo vệ cấu trúc liên kết do rối loạn cạnh không từ tính trong vật liệu hai chiều trong pha Hall spin lượng tử. vật lý. Rev. B 2022, 106, 245408. [CrossRef]

8. Nguyễn, NM; Cuono, G.; Hồi giáo, R.; Autieri, C.; Hyart, T.; Brzezicki, W. Các chế độ cạnh không được bảo vệ trong các vật liệu ứng cử viên chất cách điện Hall spin lượng tử. arXiv 2022, arXiv:2209.06912. [Tham khảo chéo]

9. Paul, T.; Becerra, VF; Hyart, T. Tương tác của hiệu ứng Hall spin lượng tử và sự phá vỡ đối xứng đảo ngược thời gian tự phát trong lớp kép lỗ electron I: Tính chất vận chuyển. arXiv 2022, arXiv:2205.12790. [Tham khảo chéo]

10. Väyrynen, JI; Goldstein, M.; Gefen, Y.; Glazman, LI Điện trở của các cạnh xoắn ốc được hình thành trong cấu trúc dị thể bán dẫn. vật lý. Rev. B 2014, 90, 115309. [CrossRef]

11. Dietl, T. Các chất dẫn điện tích điện kiểm soát vật liệu Hall spin lượng tử. arXiv 2022, arXiv:2206.01613.

12. Vannucci, L.; Olsen, T.; Thygesen, KS Độ dẫn điện của spin lượng tử Cạnh Hall phát biểu từ các nguyên tắc đầu tiên: Vai trò quan trọng của tạp chất từ ​​tính và tán xạ giữa các cạnh. vật lý. Rev. B 2020, 101, 155404. [CrossRef]

13. Ezawa, M.; Nagaosa, N. Sự can thiệp của các trạng thái cạnh được bảo vệ theo cấu trúc liên kết trong các dải nano silicene. vật lý. Rev. B 2013, 88, 121401. [CrossRef]

14. Das, B.; Gửi.; Mahapatra, S. Các trạng thái Hall spin lượng tử có thể điều chỉnh được trong các dichalcogenide kim loại chuyển tiếp 1T bị giới hạn. Khoa học. Dân biểu 2020, ngày 10, 6670. [CrossRef]

15. Nadeem, M.; Trương, C.; Culer, D.; Hamilton, AR; Quốc trưởng, MS; Wang, X. Tối ưu hóa chuyển đổi cấu trúc liên kết trong các dải nano 2D-Xene giới hạn thông qua các hiệu ứng kích thước hữu hạn. ứng dụng vật lý. Rev. 2022, 9, 011411. [CrossRef]

16. Shi, B.; Đường, H.; Bài hát, Z.; Lý, J.; Từ, L.; Lưu, S.; Dương, J.; CN, X.; Quhe, R.; Dương, J.; et al. Các bóng bán dẫn chuyển tiếp pha và cấu trúc liên kết dựa trên các dải nano Na3Bi đơn lớp. Kích thước nano 2021, 13, 15048–15057. [Tham khảo chéo]

17. Vandenberghe, Nhóm công tác; Fischetti, MV Các bóng bán dẫn hiệu ứng trường cách điện tôpô hai chiều không hoàn hảo. tự nhiên cộng đồng. 2017, 8, 14184. [CrossRef]

18. Molle, A.; Goldberger, J.; Houssa, M.; Xu, Y.; Trương, SC; Akinwande, D. Các tấm Xene hai chiều bị vênh. tự nhiên mẹ. 2017, 16, 163–169. [Tham khảo chéo]

19. Càn, X.; Lưu, J.; Phúc, L.; Li, J. Hiệu ứng Hall spin lượng tử trong dichalcogenide kim loại chuyển tiếp hai chiều. Khoa học 2014, 346, 1344–1347. [Tham khảo chéo]

20. Collins, JL; Tadich, A.; Ngô, W.; Gomes, LC; Rodrigues, JN; Lưu, C.; Hellerstedt, J.; Ryu, H.; Đường, S.; Mơ, SK; et al. Quá trình chuyển pha tôpô được điều chỉnh bằng điện trường trong Na3Bi siêu mỏng. Thiên nhiên 2018, 564, 390–394. [Tham khảo chéo]

21. Focassio, B.; Schleder, GR; Pezo, A.; Costa, M.; Fazzio, A. Thiết bị cách điện tôpô kép có độ bền rối loạn. vật lý. Rev. B 2020, 102, 045414. [CrossRef]

22. Xu, Y.; Trần, YR; Vương, J.; Lưu, JF; Ma, Z. Đường hầm hiệu ứng trường được lượng tử hóa giữa các trạng thái giao diện hoặc cạnh cấu trúc liên kết. vật lý. Mục sư Lett. 2019, 123, 206801. [CrossRef] [PubMed]

23. Con trai, YW; Cohen, ML; Louie, SG Dải nano graphene nửa kim loại. Thiên nhiên 2006, 444, 347–349. [Tham khảo chéo]

24. Afzalian, A.; Pourtois, G. Atomos: Một bộ giải mô hình nguyên tử để vận chuyển dft tiêu tán trong các mosfet hfs2 và phốt pho đen siêu tỷ lệ. Trong Kỷ yếu Hội nghị Quốc tế 2019 về Mô phỏng Quy trình và Thiết bị Bán dẫn (SISPAD), Udine, Ý, 4–6 tháng 9 năm 2019; trang 1–4.

25. Afzalian, A. Phối cảnh ban đầu của CMOS siêu tỷ lệ từ nguyên tắc cơ bản của vật liệu 2d đến bóng bán dẫn pha tạp động. Vật liệu NPJ 2D. ứng dụng 2021, 5, 5. [CrossRef]

For more information:1950477648nn@gmail.com