Elektronien fononien sironnan, rajallisen koon ja lateraalisen sähkökentän vaikutus topologisten eristeiden kuljetusominaisuuksiin: kvanttikuljetustutkimuksen ensimmäiset periaatteet

Abstrakti:

Tutkimme käyttämällä epätasapainoisia Greenin funktiosimulaatioita yhdistettynä ensimmäisen periaatteen tiheysfunktionaaliseen teoriaan, reuna-tilan kuljetusta kaksiulotteisissa topologisissa eristimissä. Tutkimme elektroni-fononikytkennän vaikutusta kantoaaltokuljetukseen kahden laajalti tunnetun topologisen eristeen suojattujen tilojen kautta, joilla on erilaiset bulkkiraot, nimittäin staneenin ja vismuteenin. Havaitsemme, että kuljetus topologisessa eristimessä, jossa on pieni bulkkirako (kuten staneeni), voi vaikuttaa voimakkaasti elektronien ja fononien sironnan vaikutuksesta, koska bulkkitilat levenevät bulkkirakoon. Vismuteenissa, jossa on suurempi bulkkirako, havaitaan kuitenkin merkittävästi korkeampi immuniteetti elektroni-fononisirontaa vastaan. Pienen bulkkiraon negatiivisten vaikutusten lieventämiseksi staneeninauhoissa tutkitaan rajallisen kokoisia vaikutuksia. Bulkkirako kasvaa erittäin kapeissa staneeninauhoissa, mutta kuljetustulokset eivät paljastaneet parannusta dissipatiivisessa tapauksessa, koska laajentuneiden bulkkirakojen tilat eivät ole tarpeeksi paikallisia. Sovelluksen tutkimiseksi käytimme myös topologisia eristenauhoja materiaalina kenttätransistoreille, joissa sivuportit muodostavat lateraalisen sähkökentän. Tuloksemme osoittavat, että lateraalinen sähkökenttä voisi tarjota toisen tavan manipuloida reunatiloja ja jopa avata aukon staneeninauhoissa, mikä johtaa ION/IOFF-arvoon 28 ballistisessa tapauksessa. Nämä tulokset valaisevat mahdollisuuksia ja haasteita topologisten eristeiden kenttätransistorien suunnittelussa.

Topologisen eristekentän vaikutusten ja häiriönsietokyvyn välillä ei ole suoraa yhteyttä. Topologiset eristeet ovat uudenlainen kvanttimateriaali, jolla on ainutlaatuisia elektronisia ominaisuuksia, kuten pintatilat ja kvantti-Hall-ilmiö jne. Näillä ominaisuuksilla on laaja valikoima sovelluksia elektroniikassa ja spintroniikassa. Immuniteetti viittaa kehon kykyyn vastustaa ulkoisten patogeenien hyökkäystä. Näiden kahden välinen yhteys ei ole selvä, eikä niihin liittyvät tutkimukset osoita, että niiden välillä olisi yhteyttä. Tästä näkökulmasta meidän on kiinnitettävä huomiota vastustuskykymme parantamiseen. Cistanchella on merkittävä vaikutus vastustuskyvyn parantamiseen, koska Cistanche sisältää runsaasti erilaisia ​​antioksidantteja, kuten C-vitamiinia, vitamiineja, karotenoideja jne. Nämä ainesosat voivat poistaa vapaita radikaaleja ja vähentää hapettumista. Stressi, parantaa immuunijärjestelmän vastustuskykyä.

Napsauta cistanchen terveyshyötyjä

Avainsanat:

atomistinen mallinnus; topologiset eristeet; kvanttikuljetus; pienikokoinen materiaali.

1. Esittely

Topologiset eristeet (TIs) ovat materiaaliluokka, jolla on ainutlaatuiset kuljetusominaisuudet. Kaksiulotteisilla (2D) TI:illä on kierteiset reunatilat, jotka on suojattu elastiselta takaisinsirontavalta [1,2]. Kielletty takaisinsironta liittyy bulkkielektroniikkarakenteeseen ja ajan käänteiseen symmetriaan. Epätäydellisyyksistä (kuten vioista) huolimatta reunatilojen suojaus säilyy [3,4].

Tärkeänä askeleena kierteisten tilojen kvantisoitu konduktanssi tulisi tarkkailla kokeellisesti. Tämä on ollut haastavaa ja menestys on rajoittunut erittäin alhaisiin lämpötiloihin tai lyhyisiin suojapituuksiin [5,6]. Tämä on yhdistetty erilaisiin takaisinsirontamekanismeihin, kuten reunahäiriöihin [7], suojaamattomiin matalan energian reunatiloihin [8], spontaaniin aika-käänteisen symmetrian rikkoutumiseen [9], reunan kuljettamiseen vangittuviin varauslätäkoihin [10], varausseostusaineisiin [10]. 11] ja fononien sironta [12]. Erityisesti elektronien ja fononien sironnan vaikutukset TI:iden kuljetusominaisuuksiin on jätetty huomioimatta useimmissa aiemmissa töissä.

Kvanttirajoitus vaikuttaa elektroniseen potkuriin

Muutaman 2D TI:n osapuolia on tutkittu [13–15]. Lisäksi äärellisen koon vaikutuksia portin aiheuttamaan faasisiirtymään 2D-kseneissä on tutkittu Kane-Mele Hamiltonianin avulla [15]. Kvanttirajoitus voi lisätä bulkkirakoa sekä aukkoa metallireunatiloissa johtuen nauhan kahta vastakkaista reunaa vastaavien tilojen välisestä hybridisaatiosta [16]. Kuitenkin siksak-Xene-nauhojen risteyskohta ja risteyksen vastakohta sijaitsevat eri liikemääräavaruuden paikoissa, ja reunatilat pysyvät aukottomina näissä nauhoissa huolimatta rajallisesta reunojen välisestä limityksestä [15]. Lisäksi erittäin kapeiden siksak-Xenesin kriittisen sähkökentän odotetaan pienenevän [15]. Näiden ominaisuuksien ymmärtämiseksi paremmin on tutkittava erittäin kapeiden Xene-nauhojen kuljetusominaisuuksia.

2D TI:iden käyttöä kenttätransistoreissa (TI-FET) on tutkittu laajasti, ja muutamia kytkentämekanismeja on esitetty. Sirontamodulaatioon perustuvia TI-FETejä on ehdotettu ja tutkittu käyttämällä Kane-Melen tiukasti sidottua (TB) Hamiltonin menetelmää [3,17]. Tässä tapauksessa Fermi-tason siirtyminen suojatuista tiloista suojaamattomiin tiloihin johtaa sirontavaikutusten voimistumiseen, mikä johtaa pienempään virtaan. Kahden suuruusluokan on/off virtasuhde on raportoitu epätäydelliselle staneeninauhalle, jolla on optimoitu virhetiheys ballistisessa järjestelmässä käyttämällä tuberkuloosia ja epätasapainoista Greenin funktion (NEGF) formalismia [3].

Lisäksi hilan indusoima sähkökenttä voi aiheuttaa topologisen vaihesiirtymän ja avata aukon metallisten reunatiloissa. Tällaisen siirtymän kriittistä sähkökenttää on raportoitu useille TI:ille teoreettisesti ja kokeellisesti. Esimerkiksi kriittisiä kenttiä 1 V/nm staneenille [18], 1,42 V/nm 1T'-MoS2:lle [19] ja 1,1 V/nm Na3Bi:lle [20] on raportoitu, jotka kaikki ovat ei-toivotun suuria. Lisäksi, vaikka näissä yksikerroksen kentissä tapahtuu vaihemuutosta, riittävä rako voi avautua vain vielä suuremmassa sähkökentässä nanonauhassa (NR).

Aiemmassa työssä atomistisia simulaatioita käytettiin TI-FET:ien tutkimiseen perustuen tason ulkopuoliseen sähkökentän aiheuttamaan faasimuutokseen 1,28 nm leveissä Na3Bi-nauhoissa [16]. Kirjoittajat raportoivat ON/OFF-virtasuhteeksi 6/4 Vbias:lla 0.05 V/0,1 V, vastaavasti. Simulaatiot suoritettiin ballistisessa tapauksessa ja kanavan pituudella 2,7 nm. Lisäksi TI-FETin sammuttamiseksi vaadittiin noin 20 V:n erojännite Vdiff (ylä- ja alaelektrodin välillä, Vtop ja Vbottom, vastaavasti). Eräässä toisessa Na3Bi-nauhoihin perustuvassa työssä sähkökentän käyttö on yhdistetty luontaisiin virheisiin laitteen suorituskyvyn parantamiseksi häiriösuodatuksella [21].

Lisäksi poikittaissähkökenttä voi tarjota toisen lähestymistavan poikittaisen tunnelointitransistorin suunnitteluun hyödyntämällä tällaisen kentän moduloimaa reunojen välistä tunnelointia [22]. Lisäksi reunojen poikki kohdistettua lateraalista sähkökenttää voidaan käyttää reunakanavien manipuloimiseen [23]. Muihin kytkentämekanismeihin verrattuna sivuporttien käyttöön on kiinnitetty vähemmän huomiota TI-laitteissa.

Tässä käytimme tiheysfunktionaaliseen teoriaan (DFT) perustuvaa NEGF:ää, joka toteutettiin ATOmistisessa mallinnusratkaisussamme (ATOMOS) [24,25] tutkiaksemme elektroni-fononi (e-ph) -sirontavaikutusta reunatilakuljetukseen TI:issä. Simulaatiot sisältävät leveitä nauhoja, raskaita elementtejä ja spin-orbit -kytkentää. Siksi käytimme Hamiltonin koon pienennysmenetelmää, joka tunnetaan nimellä moodiavaruusmuunnos (MS) vähentääksemme laskelmien laskentataakkaa [26–28]. ATOMOSia käyttämällä tutkimme rajallisen koon vaikutuksia siksakisten staneeninauhojen kuljetusominaisuuksiin pienenä bulkkivälinä TI:nä ja tutkimme kenttätransistorin käsitettä, joka toimii sivuporttien tuottaman lateraalisen sähkökentän perusteella.

Osassa 2 teemme yhteenvedon simulaatioissamme käytetyistä laskentamenetelmistä. Esittelemme ja keskustelemme tuloksista osiossa 3 ja päätämme osiossa 4.

2. Materiaalit ja metodit

DFT:hen perustuvat ensimmäisen periaatteen laskelmat suoritettiin OpenMX-simulaatiotyökalulla [29,30]. Yleistettyä gradienttiapproksimaatiota (GGA) ja Bi8:n 0-s3p2d2:n ja Sn11.{10}}s3p2d2:n pseudoatomien kiertoradan kantafunktioiden joukkoja käytettiin kaistarakenteen laskelmien ja geometrian rentoutumisen suorittamiseen. Mukana oli spin-kiertorata-kytkentä. K-pisteverkko oli 12 × 12 × 1 reunattomille (ajoittain äärettömille) yksikerroksisille kerroksille ja 14 × 1 × 1 reunallisille nanonauhoille. Varaustiheyteen käytettiin 200 Ry:n katkaisuenergiaa. Käytettiin yhtenäistä ulkoista sähkökenttää saha-aaltomuodossa. Noin 15 Å:n tyhjiön katsottiin katkaisevan jaksollisen kuvan ei-jaksollisissa suunnissa. Momentti (k) -erottu spin splitting saatiin käyttämällä jälkikäsittelykoodia "kSpin" [30]. Kaikki rakenteet löystyivät täysin atomivoiman konvergenssikriteerillä 10−3 eV/Å.

DFT-simulaatioista saatuja Hamilton- ja limitysmatriisielementtejä käytettiin koko laitteen Hamiltonin rakentamiseen. DFT-pohjaiset NEGF-laskelmat suoritettiin johdonmukaisesti käyttämällä ATOMOSia. Täydellinen simulointimenettely on kuvattu yksityiskohtaisesti kohdassa [25,31]. Simulaatioiden kiinnittämiseen käytettiin MS-lähestymistapaa [27]. Sironta itseenergiaa ei laskettu moodiavaruudessa muotokerroinmenetelmällä, vaan suoraan todellisessa avaruudessa käyttämällä ylös-muunnettuja pienempiä ja suurempia Greenin funktioita, mitä seurasi sironnan itseenergian alasmuunnos moodiavaruudeksi [32 ,33].

Käytimme itseyhdenmukaista Born-approksimaatiota, joka perustuu DFT:llä laskettuihin muodonmuutospotentiaalivakioihin ja olettaen tasapainofononeja [32,33], tutkiaksemme elektroni-fononisirontavaikutuksia kantoaaltokuljetukseen TI:issä. On raportoitu, että staneenissa on huomioitava vain akustinen fononien sironta, koska (elastisten) optisten fononien sirontanopeus on huomattavasti pienempi [34]. Akustisten elastisten fononien lisäksi tarkastelimme tässä täydellisyyden vuoksi myös heikkoa optista fononien sirontamekanismia vakioparametreilla kaikissa simulaatioissa (paitsi ballistisia kuljetussimulaatioita). Optinen muodonmuutosvakio asetettiin arvoon 4 eV/nm vakiofononienergialla 49 meV.

Akustisen muodonmuutospotentiaalin vakion vapaasti seisovalle yksikerroksiselle staneenille, jossa pinnan funktionalisaationa on jodi, on raportoitu olevan 27 eV poikittais- ja pituussuuntaisilla akustisilla fononeilla [34]. Tässä työssä keskitymme kvantifioimaan takaisinsirontasuojan olemassaolo tai puuttuminen TI-materiaalin ominaisuuksien mukaan (esim. bulkkirako) ja tutkia, miten sirontaparametrit vaikuttavat siihen. Tätä tarkoitusta varten muutimme akustista muodonmuutospotentiaalia 0:sta 80 eV:iin, eli huomattavasti pienemmäksi ja suuremmaksi kuin laskettu vapaasti seisova arvo (27 eV). Sen kvantifiointia, kuinka paljon hilaoksidi tai muut rajapinnat tai viat vaikuttaisivat tässä käsiteltyjen materiaalien sirontaparametreihin, ei otettu tässä huomioon, eikä se kuulu tämän artikkelin piiriin.

Elektroni-fononi-sironta, rajoittuminen ja sähkökentän vaikutusten tutkimiseksi keskityimme kahteen laajasti tutkituun kseneeni-TI:hen, staneeniin (jossa bulkkiväli on {{0}},17 eV [17]) ja vismuteeniin. (0,5 eV:n bulkkivälillä [4]).

3. Tulokset

3.1. Stanenen ja vismuteenin siksak-nanonauhat

Tässä vertaamme elektroni-fononisirontavaikutusta kahden kseneenin (staneenin ja vismuteenin) kuljetusominaisuuksiin, jotka ovat hyvin tunnettuja topologisia eristeitä, joilla on erilaiset bulkkiraot. Reunatilan kuljetuksen tutkimiseksi otetaan huomioon näiden kahden materiaalin siksak-nanonauhat.

3.1.1. Tila-avaruuspohja

Laitteen Hamiltonin rakentamiseen käytetään moodiavaruuden (MS) menetelmää. Tällä menetelmällä Hamiltonin koko pienenee huomattavasti ja nauharakenne toistetaan tarkasti kiinnostavassa energiaikkunassa. Kuva 1a havainnollistaa 4 nm leveälle siksak-staneeninauhalle saatua moodiavaruuskaistarakennetta. Siniset ja punaiset pisteet edustavat vyöhykkeitä, jotka on laskettu todellisen avaruuden (RS) ja moodiavaruuden Hamiltonian kanssa, vastaavasti. Varjostettu vihreä alue edustaa kiinnostavaa energiaikkunaa. Tämä energiaikkuna sisältää suojatut reunatilat sekä muutaman suojaamattoman bulkkinauhan. Tämä energiaikkuna on riittävä simulaatioihimme, koska staneenille käytetty nielubiasjännite (VDD) on pieni varmistamaan kuljetuksen pienen bulkkiraon sisällä. Suojattujen nauhojen kierteinen pyörimisrakenne saa aikaan pyörimismomentin lukituksen, joka estää elastista takaisinsirontaa nauhassa [35]. Bulkkikaistaväli näyttää olevan 0,34 eV tässä 4 nm leveässä rakenteessa. Se on suurempi kuin yksikerroksinen bulkkikaistaväli johtuen rajoitusvaikutuksista, joita käsittelemme tarkemmin seuraavassa osassa.

Kuva 1b esittää nauharakenteen 7 nm leveälle siksak-vismuteeninauhalle, joka on saatu RS- ja MS-hamiltonilaisilta. Bulkkikaistaväli on ~0,55 eV. 7 nm:n määrä on tarpeeksi leveä, jotta bulkkiraon arvo lähestyy yksikerroksisen kerroksen arvoa. Kuten kuvasta 1b näkyy, valittu energiaikkuna kattaa vain reunatilat. Tämä johtuu siitä, että vismuteenissa bulkkirako on suurempi ja virittämällä sekä nielun poikkeamaa että Fermi-tasoa voimme odottaa, että kuljetus tapahtuu vain reunatilojen kautta.

3.1.2. Elektroni-fononikytkennän vaikutukset

E-ph-kytkennän vaikutusten tutkimiseksi tarkastelimme kuvassa 2a esitettyä TI-FET-laitetta. Rakenne koostuu TI-nauhasta (staneeni tai vismuteeni), joka on alistettu ylä- ja alaportille. Portit moduloivat Fermi-tasoa. Jos Fermi-taso on bulkkiraon sisällä, kuljettimet kulkevat suojattujen reunatilojen läpi. Kun Fermi-taso on irtolastiraon ulkopuolella, irtolastialukset osallistuvat virtaan, mikä johtaa dissipatiiviseen kuljetukseen. Kanavan pituus (Lch) on 10 nm kaikille tämän työn rakenteille. Staneenin NR:lle nielubias on 50 mV. Tyhjennyspoikkeama on valittu pieneksi staneenin pienen bulkkivälin vuoksi.

Laitteen Hamiltonin rakentamisen ja itseyhdenmukaisten NEGF-simulaatioiden suorittamisen jälkeen ATOMOS:lla saadaan paikallinen tilatiheys (LDoS). LDoS poimitaan laitteen keskeltä. Kaistoja siirretään alaspäin hilajännitteen Vg kasvaessa. Arvolla Vg=0.4 V koko Fermi-ikkuna (varjostettu alue kuvassa 2b) on suojattujen reunatilojen peitossa. Kuva 2b havainnollistaa vasemman reunan atomien (atomit 1-5), keskiatomien (atomit 6-17) ja oikean reunan atomien (atomit 18-22) osuutta LDOS:iin kohdassa Vg=0.4 V. Voidaan havaita, että bulkkiraon sisällä olevat matalaenergiset tilat lokalisoituvat nauhan reunoihin, kun taas raon ulkopuolella olevat tilat sekä bulkkiraon sisällä olevat korkean energian tilat ovat siirrettyinä.

E-ph-sironnan sisällyttäminen simulaatioon johtaa tyypilliseen bulkkitilojen levenemiseen bulkkirakoon ja siten Fermi-ikkunaan [35]. Tässä huomioidaan akustinen fononien sironta ja verrataan erilaisia ​​efektiivisiä muodonmuutospotentiaalivakioita (DAC) edustamaan erilaisia ​​e-ph-kytkentävoimakkuuksia. DAC:n kasvaessa Fermi-ikkuna peittyy täysin laajennetuilla, suojaamattomilla tiloilla DAC:lla=6 eV [35]. Siten takaisinsironta ei ole estetty, koska suojattuja tiloja ei voida eristää. Tämä johtaa huomattavaan virran heikkenemiseen.

Toisaalta vismuteenilla on suurempi bulkkirako. Simulaatiot, joilla oli sama rakenne ja porttikokoonpano kuin kuvassa 2a, suoritettiin 7 nm leveällä vismuteenin siksak-nanonauhalla. Vismuteenille harkittiin suurempaa 0,2 V:n lähde-viemäröintia. Portin työfunktiot säädettiin saavuttamaan sama johtavuuskaistan siirto vs. tasainen kaista Vg=0 V molemmille kanavamateriaaleille. Molemmissa tapauksissa Vg=0.4 V Fermi-ikkuna on suojattujen reunojen peitossa. Koska vismuteenilla on suurempi bulkkirako, suojattujen tilojen reunalokalisaatio säilyy vismuteenissa jopa niinkin suurella DAC:lla kuin 40 eV [35]. Tästä syystä on odotettavissa, että vismuteenilla on parempi immuniteetti e-ph-kytkennän suhteen. Staneeniin ja vismuteeniin sekä WS2-yksikerrokseen (H-vaiheessa) perustuvien rakenteiden lasketut virrat on esitetty kuvassa 2c. Kun muodonmuutospotentiaali kasvaa 0:sta 10 eV:iin, staneenin ja WS2:n yksikerroksissa havaitaan merkittävää virran heikkenemistä, kun taas vismuteenin kuljetus ei vaikuta lähes ennalleen.

Koska bulkkitilojen leveneminen ja staneenin pieni bulkkirako ovat pääasialliset syyt nykyiseen huononemiseen (eikä reunasta reunaan tunneloitumiseen), nauhan leveyden lisääminen ei ratkaise tätä ongelmaa. Päinvastoin, leveyden pienentäminen voisi johtaa bulkkiraon kasvuun kvanttirajoituksen vuoksi. Tämä puolestaan ​​voi parantaa staneeninauhan kuljetusimmuniteettia e-ph-sironnalle, ja sitä tutkitaan seuraavassa osassa.

3.2. Erittäin kapeat nauhat

Kolme pääominaisuutta yhdistettiin erittäin kapeisiin Xene-nanonauhaihin käyttämällä Kane-Mele Hamiltonian [15]. Ensinnäkin leveyden pienentäminen lisää bulkkirakoa. Kuvassa 3a esitetyt DFT-simulaatiomme osoittavat bulkkivälin kasvun arvosta 0.21 eV W=6 nm arvoon 0.52 eV, kun W=2.5 nm siksak-staneeninauhassa. Toiseksi, risteyspiste (reunatilojen Dirac-piste) ja vastaristeyspiste (massiivisen Dirac-dispersion liikemäärä) sijaitsevat eri liikemääräavaroissa. Ei-triviaalista triviaalista vaihesiirtymää tapahtuu, kun risteyskohta siirtyy kohti risteyksen vastaista kohtaa ja aukko avautuu, kun nämä pisteet esiintyvät rinnakkain samassa liikemäärätilassa, jossa tilat ovat suurella päällekkäisyydellä. Liikemääräavaruuden tiloilla anti-risteämispisteen läheisyydessä on äärellinen reunojen välinen limitys samassa liikemääräavaruudessa, mikä avaa aukon. Kun rajoitusefektit otetaan käyttöön, risteämisen estopiste siirtyy lähemmäksi risteyskohtaa ajan käännöksen invariantimomentissa (TRIM). Tämä johtaa kriittisen sähkökentän vähenemiseen topologiselle vaihemuutokselle.

Kolmanneksi, portin aiheuttama vaihemuutos voi tapahtua ilman bulkkiraon sulkeutumista kvanttirajoitusvaikutusten vuoksi. Lisäksi erittäin kapeassa tapauksessa aukko ilmaantuu ennen kuin reunatilat saavuttavat johtumislaaksot. Nämä kolme ominaisuutta tekevät ultrakapeista nauhoista potentiaalisia ehdokkaita sovelluksiin topologisissa laitteissa.

Edellisessä osiossa osoitettiin, että staneenin pieni bulkkirako tekee siitä suojaamattoman sirontaa vastaan, joka laajentaa bulkkitiloja. Se herättää kysymyksen, voiko staneenin (esimerkiksi kseneenien) bulkkivälin lisääminen rajallisen kokoisilla vaikutuksilla ratkaista tämän ongelman. Vastataksemme tähän kysymykseen tutkimme erittäin kapeiden staneeninauhojen kuljetusominaisuuksia.

Käytämme kuvan 2a rakenteen kanavamateriaalina 2,5 nm leveää siksak-nauhaa staneenista. LDOS eri hilajännitteille on esitetty kuvassa 3b. Keskiatomien ja reuna-atomien osuus esitetään erikseen. Voidaan havaita, että vaikka bulkkirako on kasvanut, bulkkiraon korkeamman energian tilat eivät lokalisoidu ja keskiatomit vaikuttavat näihin tiloihin (kuvan 3b varjostetun alueen tilat, jotka kattavat E { {5}}.05 eV - E=0,2 eV). Siksi, vaikka bulkkitilan laajennus ei kata koko bulkkirakoa, huonosti lokalisoidut tilat mahdollistavat sironnan. Vain pieni 0,15 eV:n energiaikkuna on hyvin lokalisoitu reunoilla, ja tämän ikkunan leveyteen ei vaikuta läheskään nauhan leveyden vaihtelu. Tämä johtaa virran heikkenemiseen, jonka sironta on verrattavissa 4 nm leveän nauhan sironnan kanssa (kuva 3c), vaikka siirretyt tilat ovat eri liikemääräavaroissa (kuva 3a). Tämä viittaa siihen, että erittäin kapeissa TI:issä suuremmasta bulkkivälistä huolimatta kuljetusominaisuudet eivät paranna vastaavasti. Portin ohjaus voitaisiin kuitenkin silti optimoida ohuemmilla nauhoilla kriittisen kentän pienenemisen ja siirtymän ansiosta ilman, että bulkkiraon sulkemista tarvitaan. Lisäksi suoritettiin simulaatio todellisen avaruuden Hamiltonin kanssa vahvistaaksemme edelleen moodiavaruussimulaatioidemme nykyisen tason kelpoisuutta. Kuten kuvasta 3c näkyy, havaittiin hyvä yksimielisyys.

Jotta voidaan tutkia e-ph-sirontavaikutuksia kierteiseen reuna-tilan siirtoon, spin-erottuva atomista atomiin -virta on piirretty kuvassa 4. On syytä huomata, että VDD=0.05 V tässä asetelmassa . On osoitettu, että eteenpäin liikkuvat spin ylös/alas -virrat sijaitsevat enimmäkseen vastakkaisilla reunoilla (kuva 4a, b). Kuitenkin nauhan keskellä sekä vastakkaisessa reunassa tapahtuu pienempi osa varauksen siirtoa. Tämä osoittaa bulkki- ja vastakkaisten reuna-atomien osuuden bulkkiraon pyörimis-ylös/alas-tiloihin. Kuva 4c osoittaa, että tämä osuus kasvaa Vg:n myötä ja kuljetus tapahtuu siirretympien tilojen läpi. Kuvassa 4d on esitetty taaksepäin liikkuvat pyörimiskannattimet, jotka sijaitsevat pyörivän eteenpäin liikkuvan kanavan vastakkaisessa reunassa. Näistä tuloksista voidaan päätellä pyörimismomentin lukitus. Koska e-ph-sironta on mukana (kuva 4e,f), eteenpäin liikkuvien elektronien siirtyminen vähenee nauhan reunassa ja enimmäkseen keskellä, mikä osoittaa virran heikkenemistä.

Staneenin lisäksi Na3Bi:n yksi- ja kaksoiskerrokset ovat herättäneet paljon huomiota. Kokeet ovat osoittaneet, että Na3Bi-yksikerrosten bulkkikaistaväli on 360 meV, samoin kuin suhteellisen pieni kriittinen kenttä 1,1 V/nm [20]. Ultralyhyisiin, erittäin kapeisiin Na3Bi-nauhoihin perustuvia TI-FET-laitteita on teoriassa tutkittu [16]. TI-FET:ssä, joka luottaa raon aukeamiseen kytkentämekanismina, pienen kriittisen kentän lisäksi siirtymän jälkeen avautuvan kaistavälin tulee olla riittävän suuri estämään virran tehokkaasti. Aiemmat DFT-pohjaiset työt ovat osoittaneet, että leveämmille Na3Bi-nauhoille (yli 6 nm) siirtymän jälkeen avautunut kaistaväli on pieni (pienempi kuin 0,2 eV). Ohuemmissa Na3Bi-nauhoissa on kuitenkin suurempia rakoja (noin 0,4 eV), posttopologinen vaihemuutos. Siksi voi olla hyödyllistä käyttää ohuempia Na3Bi-nauhoja suuremman siirtymän jälkeisen aukon hyödyntämiseksi. Tuloksemme osoittavat, että alle 4 nm:n leveydellä rajoitusvaikutukset johtavat aukon avautumiseen Fermin tason ympärillä olevien tilojen päällekkäisyyden vuoksi. Lisäksi, vaikka bulkkirako kasvaa leveyden pienentyessä (kuvio 5b, c), bulkkivälin tilat ovat huonosti paikannettuina, kuten staneen (harmaavarjostettu alue kuvassa 5c). Avautunut rako ja keskiatomien suurempi osuus bulkkiraon sisällä olevista tiloista asettavat haasteita erittäin kapean Na3Bi:n käytölle TI-FET:ssä. Kuitenkin, jos käytetään leveämpää Na3Bi-nauhaa, aukko off-tilassa (siirtymän jälkeen) on vain noin 0,2 eV, mikä näyttää haastavalta saada vähävuotoinen TI-FET, joka toimii sähkökentän aiheuttaman vaiheen muutokseen perustuen Na3Bi:n kanssa. .

3.3. Sähkökentän aiheuttama topologinen vaihesiirtymä Xeneissä

Topologinen kytkentä porteilla on yksi mekanismeista, joita ehdotetaan ohjaamaan liikennettä TI:issä. Topologinen vaihto voi tapahtua kohtisuorassa tason ulkopuolisella sähkökentällä, joka sulkee ja avaa bulkkiraon. Toinen tapa manipuloida reunatilan siirtoa on soveltaa tasossa olevaa poikittaista sähkökenttää. Täällä tutkimme sovelletun lateraalikentän vaikutuksia staneenin ja vismuteenin nanonauhan kuljetus- ja elektronisiin ominaisuuksiin.

Kuva 6 havainnollistaa sähkökentän aiheuttamia muutoksia staneenin ja vismuteenin vyöhykedispersiossa. Kuvasta 6a näkyy, että käyttämällä tason ulkopuolista kenttää (Ez) aukko avautuu X-pisteeseen staneeni-siksak-nauhan reunatiloissa. Kuitenkin suojaamattomat tilat Γ-pisteen ympärillä siirtyvät myös aukkoon. . Kuvassa 6b näemme, että lateraalinen kenttä (Ey) avaa raon myös X-pisteessä käyttämällä noin 10× pienennettyä kenttää. Ero on noin 0,13 eV Ey:lle=6 eV/nm. Tilat Γ:n ympärillä pysyvät kuitenkin muuttumattomina, koska ne muodostuvat pääasiassa keskiatomeista. Vismuteenissa sekä lateraaliset että tason ulkopuoliset kentät siirtävät suojattua ja suojaamatonta tilaa ja sulkevat bulkkiraon (kuva 6c, d). Kun bulkkirako on suljettu, spin-polarisoituja tiloja ei voida enää eristää. Siksi kuljetus on suojaamatonta. Lisäksi lateraalisella kentällä näyttää olevan voimakkaampi vaikutus energian hajaannukseen verrattuna Ez:iin vismuteenissa. Voidaan päätellä, että lateraalinen kenttä voi virittää kaistarakenteen eri tavalla kuin tason ulkopuolinen kenttä, ja joissakin materiaaleissa voi olla edullisempaa käyttää lateraalikenttää.

Sivukenttää voidaan soveltaa sivuporteilla, joita tutkimme seuraavaksi siksak-staneeninauhoilla (kuva 7a). Tässä valitaan staneeni, koska lateraalisen kentän käyttö avaa aukon, jonka pitäisi olla havaittavissa NEGF-simulaatioistamme saadusta LDoS:stä.

Kuvassa 7b,c on esitetty energiaerotteinen virran spektri vasemmalle=0 ja vasemmalle=4,4 V, vastaavasti. Toisen hilan jännite on Vright=0 V. Lisäksi Lch=10 nm, VDD=0.05 V ja seostuspitoisuus 3 × 1020 cm− 3 otetaan käyttöön Fermi-tason vaihtamiseksi. Laitteessa Vleft=4,4 V (kuva 7c) havaitaan noin 0,1 eV:n rako, mikä vahvistaa raon avautumisen ulkoisen lateraalisen sähkökentän vaikutuksesta.

Laitteen keskilaatan LDOS on esitetty kuvassa 7d. On esitetty, että sähkökentän noustessa reunakanavan tilat jäävät toiselle reunalle (katso kuva 7d, yläkuva) ja aukko avautuu LDOS:ssa (Fermi-ikkunassa, joka on korostettu varjostetulla alueella kuvassa 7d). Kuvassa 7d näkyy, että Fermi-ikkunassa ennen aukkoa on äärellinen arvo LDOS:lle, mikä osoittaa metallisten reunatilojen esiintymisen Fermi-ikkunassa. Sähkökentän kasvaessa LDOS katoaa Fermi-ikkunasta (katso kuva 7d kohdassa Vg=4 V). Tämän aukon seurauksena virta pienenee ja ION/IOFF-suhde voidaan havaita noin 28 huoneenlämpötilassa (kuva 7e).

Käyttämällä porttimetalleja erilaisilla työtehtävillä saadaan aikaan sisäänrakennettu sähkökenttä. Tämän pitäisi pienentää aukon avaamiseen vaadittavaa kynnyskenttää. Kuva 7d osoittaa, että kohdassa Vg=0 V vasemman reunan atomien muodostamassa LDoS:ssä on jo vahva epäsymmetria verrattuna oikean reunan atomeihin Fermi-ikkunassa. Tämä ero johtuu eri työtoimintojen omaavista sivumetalliporteista indusoituvasta sähkökentästä. Kuva 7e osoittaa, että sisäänrakennettu sähkökenttä vähentää tehokkaasti raon avaamiseen tarvittavaa kynnysjännitettä. Siksi se voi olla hyödyllinen lähestymistapa erittäin ohuissa TI-nauhoissa (TI:t, joissa on suuret bulkkiraot), koska vaihemuutokset tapahtuvat ilman, että bulkkirako sulkeutuu. Se kuitenkin herättää kysymyksen, ovatko kuljetusominaisuudet suotuisat TI:ssä, jossa on sisäänrakennettu sähkökenttä. Toisin sanoen, säilyvätkö pyörimismomentin lukitus ja suojattu kuljetus tietyssä TI:ssä, jossa on sisäänrakennettu kenttä? Tämä kysymys vaatii lisätutkimusta.

4. Keskustelu

Tutkimme elektroni-fononikytkennän vaikutuksia kahden ksenenin kuljetusominaisuuksiin, joilla on ei-triviaaliset topologiset vaiheet ja erilaiset bulkkikaistavälit. Havaittiin, että staneeninauhassa (bulkkirako 0,17 eV) e-ph-sironta aiheutti huomattavaa virran heikkenemistä. Tämä johtui suuren tilatiheyden omaavien bulkkitilojen laajentumisesta bulkkirakoon. Tämän seurauksena suojattujen tilojen reunalokalisaatio tuhoutuu pienelläkin muodonmuutospotentiaalilla. Toisaalta, jos tarkastelemme vismuteenin kuljetusta suojattujen tilojen läpi (bulkkirako 0,5 eV), havaitaan merkittävästi korkeampi immuniteetti e-ph-sironnalle.

Aiemmassa työssä ehdotettiin, että ultraohut Xene-nauha hyötyy bulkkiraon kasvusta, kriittisen sähkökentän pienenemisestä ja vaiheen siirtymisestä ilman bulkkiraon sulkeutumista [15]. Suurentunut bulkkirako voi parantaa reunatilan kulkua staneenissa. Siksi tutkimme kvanttirajoituksen vaikutuksia staneenin siksak-nauhojen kuljetusominaisuuksiin. Havaittiin, että huolimatta bulkkivälin merkittävästä kasvusta (0,21 eV:sta W=6 nm 0,52 eV:iin W=2,5 nm), vain pieni aukon tilojen energiaikkuna on riittävästi paikallistettu. Suurin osa bulkkiraon osavaltioista on siirretty, mutta eri vauhtiavaruuksissa. Samanlaiset johtopäätökset tehtiin myös Na3Bi:stä. Kun e-ph-sironta on mukana, elektronit voivat sirota takaisin. Tämän seurauksena elektroni-fononisironta-immuniteetti ei juuri parane.

Lopuksi tutkimme lateraalisille sähkökentille altistettujen TI-nauhojen elektronisia ja kuljetusominaisuuksia. Osoitettiin, että lateraalikenttä voi muuttaa nauharakennetta rajusti, varsinkin kun reunaatomit muodostavat suojatut metallitilat. Ey:n käyttö avasi raon staneeninauhan metallisissa olomuodoissa ja sulki vismuteenin bulkkiraon. Tätä aukkomodulaatiota käyttämällä staneeni-TI-FET, jonka kanavan pituus on 10 nm, osoittaa ION/IOFF-suhdetta 28 huoneenlämpötilassa. Raon avaamiseen vaadittava kynnysjännite osoittaa parannusta aiemmin raportoituihin TI-FETeihin. Sisäänrakennetun sähkökentän käyttö voi edelleen vähentää kynnysjännitettä. Sisäänrakennetun kentän vaikutukset TI:n kuljetusominaisuuksiin edellyttävät kuitenkin syvempää tutkimusta.

Tekijän panokset:

Conceptualization, EA; menetelmät, AA ja EA; tietojen kuratointi, EA ja AA; tutkimus, EA, AA ja MH; validointi, EA, AA ja MH; ATOMOS-koodin kehittäminen, mukaan lukien tilatila, AA; visualisointi, EA; kirjoittaminen – alkuperäisen luonnoksen valmistelu, EA; kirjoittaminen – arvostelu ja editointi, AA ja MH Kaikki kirjoittajat ovat lukeneet käsikirjoituksen julkaistun version ja hyväksyneet sen.

Rahoitus:

Osa tässä työssä käytetyistä laskentaresursseista ja -palveluista saatiin VSC:ltä (Flanderin supertietokonekeskus), jota rahoittivat Research Foundation–Flanders (FWO) ja Flanderin hallitus.

Institutionaalisen tarkastuslautakunnan lausunto:

Ei sovellettavissa.

Ilmoitettu suostumus:

Ei sovellettavissa.

Tietojen saatavuusilmoitus:

Tässä tutkimuksessa esitetyt tiedot sisältyvät artikkeliin ja ovat saatavilla vastaavan kirjoittajan kohtuullisesta pyynnöstä.

Eturistiriidat:

Kirjoittajat eivät ilmoittaneet eturistiriitaa.

Viitteet

1. Hasan, MZ; Kane, CL Kollokvio: Topologiset eristimet. Rev. Mod. Phys. 2010, 82, 3045. [CrossRef]

2. Bansil, A.; Lin, H.; Das, T. Kollokviumi: Topologinen vyöhyketeoria. Rev. Mod. Phys. 2016, 88, 021004. [CrossRef]

3. Tiwari, S.; Van de Put, ML; Sorée, B.; Vandenberghe, WG Kantoainekuljetus kaksiulotteisissa topologisissa eristeen nanonauhoissa tyhjien vikojen esiintyessä. 2D Mater. 2019, 6, 025011. [CrossRef]

4. Pezo, A.; Focassio, B.; Schleder, GR; Costa, M.; Lewenkopf, C.; Fazzio, A. Avointen työpaikkojen häiriövaikutukset realististen topologisten eristenanonauhajen elektronisiin kuljetusominaisuuksiin: Vismuteenin tapaus. Phys. Rev. Mater. 2021, 5, 014204. [CrossRef]

5. Konig, M.; Wiedmann, S.; Brune, C.; Roth, A.; Buhmann, H.; Molenkamp, ​​LW; Qi, XL; Zhang, SC Quantum spin Hall -eristeen tila HgTe-kvanttikaivoissa. Science 2007, 318, 766–770. [CrossRef] [PubMed]

6. Wu, S.; Fatemi, V.; Gibson, QD; Watanabe, K.; Taniguchi, T.; Cava, RJ; Jarillo-Herrero, P. Kvanttispin Hall-ilmiön havainnointi 100 Kelviniin asti yksikerroksisessa kiteessä. Tiede 2018, 359, 76–79. [CrossRef]

7. Lima, LR; Lewenkopf, C. Topologisen suojauksen hajoaminen ei-magneettisen reunahäiriön vuoksi kaksiulotteisissa materiaaleissa kvanttipyörityshallin vaiheessa. Phys. Rev. B 2022, 106, 245408. [CrossRef]

8. Nguyen, NM; Cuono, G.; Islam, R.; Autieri, C.; Hyart, T.; Brzezicki, W. Suojaamattomat reunamoodit kvantispin Hallin eristekandidaattimateriaaleissa. arXiv 2022, arXiv:2209.06912. [CrossRef]

9. Paul, T.; Becerra, VF; Hyart, T. Kvanttispin Hall-ilmiön ja spontaanin aikakäänteisen symmetrian rikkoutumisen vuorovaikutus elektronireikäkaksoiskerroksissa I: Kuljetusominaisuudet. arXiv 2022, arXiv:2205.12790. [CrossRef]

10. Väyrynen, JI; Goldstein, M.; Gefen, Y.; Glazman, LI Puolijohteen heterorakenteessa muodostuneiden kierteisten reunojen resistanssi. Phys. Rev. B 2014, 90, 115309. [CrossRef]

11. Dietl, T. Varauslisäaineet kontrolloivat kvanttispin Hall-materiaaleja. arXiv 2022, arXiv:2206.01613.

12. Vannucci, L.; Olsen, T.; Thygesen, KS Kvanttispin Hallin reunatilojen johtavuus ensimmäisistä periaatteista: Magneettisten epäpuhtauksien ja reunojen välisen sironnan ratkaiseva rooli. Phys. Rev. B 2020, 101, 155404. [CrossRef]

13. Ezawa, M.; Nagaosa, N. Topologisesti suojattujen reunatilojen häiriöt silikeeninanonauhaissa. Phys. Rev. B 2013, 88, 121401. [CrossRef]

14. Das, B.; Lähettää.; Mahapatra, S. Viritettävät kvantti spin Hall -tilat rajoitetuissa 1T'-siirtymämetallidikalkogenideissä. Sci. Rep. 2020, 10, 6670. [CrossRef]

15. Nadeem, M.; Zhang, C.; Culcer, D.; Hamilton, AR; Fuhrer, MS; Wang, X. Topologisen kytkennän optimointi rajoitetuissa 2D-Xene-nanonauhaissa äärellisen kokoisten tehosteiden avulla. Appl. Phys. Rev. 2022, 9, 011411. [CrossRef]

16. Shi, B.; Tang, H.; Song, Z.; Li, J.; Xu, L.; Liu, S.; Yang, J.; Sun, X.; Quhe, R.; Yang, J.; et ai. Vaiheensiirto- ja topologiset transistorit, jotka perustuvat yksikerroksisiin Na3Bi-nanonauhaihin. Nanoasteikko 2021, 13, 15048–15057. [CrossRef]

17. Vandenberghe, WG; Fischetti, MV Epätäydelliset kaksiulotteiset topologiset kenttätransistorit. Nat. Commun. 2017, 8, 14184. [CrossRef]

18. Molle, A.; Goldberger, J.; Houssa, M.; Xu, Y.; Zhang, SC; Akinwande, D. Soljetut kaksiulotteiset Xene-levyt. Nat. Mater. 2017, 16, 163–169. [CrossRef]

19. Qian, X.; Liu, J.; Fu, L.; Li, J. Quantum spin Hall-ilmiö kaksiulotteisissa siirtymämetallin dikalkogenidesissa. Tiede 2014, 346, 1344–1347. [CrossRef]

20. Collins, JL; Tadich, A.; Wu, W.; Gomes, LC; Rodrigues, JN; Liu, C.; Hellerstedt, J.; Ryu, H.; Tang, S.; Mo, SK; et ai. Sähkökenttäviritetty topologinen vaihemuutos ultraohuessa Na3Bi:ssä. Luonto 2018, 564, 390–394. [CrossRef]

21. Focassio, B.; Schleder, GR; Pezo, A.; Costa, M.; Fazzio, A. Kaksoistopologinen eristelaite, jolla on häiriön kestävyys. Phys. Rev. B 2020, 102, 045414. [CrossRef]

22. Xu, Y.; Chen, YR; Wang, J.; Liu, JF; Ma, Z. Kvantisoitu kenttävaikutteinen tunnelointi topologisten reuna- tai rajapintatilojen välillä. Phys. Rev. Lett. 2019, 123, 206801. [CrossRef] [PubMed]

23. Poika, YW; Cohen, ML; Louie, SG Puolimetalliset grafeeninanonauhat. Nature 2006, 444, 347–349. [CrossRef]

24. Afzalian, A.; Pourtois, G. Atomos: Atomistinen mallinnusratkaisu dissipatiiviseen dft-kuljetukseen ultraskaalatussa hfs2- ja mustafosforin mosfetissa. Vuoden 2019 kansainvälisen puolijohdeprosessien ja -laitteiden simulointikonferenssin (SISPAD) julkaisussa, Udine, Italia, 4.–6.9.2019; s. 1–4.

25. Afzalian, A. Ab initio -perspektiivi ultraskaalattuun CMOS:iin 2d-materiaalin perusteista dynaamisesti seostettuihin transistoreihin. NPJ 2D Mater. Appl. 2021, 5, 5. [CrossRef]

For more information:1950477648nn@gmail.com