Kesan Penyerakan Fonon Elektron, Saiz Terhad dan Medan Elektrik Sisi Terhadap Sifat Pengangkutan Penebat Topologi: Kajian Pengangkutan Kuantum Prinsip Pertama

Abstrak:

Kami mengkaji, menggunakan simulasi fungsi Green bukan keseimbangan yang digabungkan dengan teori fungsi ketumpatan prinsip pertama, pengangkutan keadaan tepi dalam penebat topologi dua dimensi. Kami meneroka kesan gandingan elektron-fonon pada pengangkutan pembawa melalui keadaan terlindung dua penebat topologi yang terkenal dengan jurang pukal yang berbeza, iaitu stanene, dan bismuthene. Kami memerhatikan bahawa pengangkutan dalam penebat topologi dengan jurang pukal yang kecil (seperti stanene) boleh dipengaruhi oleh penyerakan elektron-phonon, kerana keadaan pukal meluas ke dalam jurang pukal. Walau bagaimanapun, dalam bismutena dengan jurang pukal yang lebih besar, imuniti yang lebih tinggi terhadap penyerakan elektron-phonon diperhatikan. Untuk mengurangkan kesan negatif jurang pukal kecil, kesan saiz terhingga dikaji dalam reben stanene. Jurang pukal meningkat dalam reben stanene ultra-sempit, tetapi keputusan pengangkutan menunjukkan tiada peningkatan dalam kes dissipative, kerana keadaan dalam jurang pukal yang diperbesarkan tidak cukup setempat. Untuk menyiasat aplikasi, kami juga menggunakan reben penebat topologi sebagai bahan untuk transistor kesan medan dengan pintu sisi mengenakan medan elektrik sisi. Keputusan kami menunjukkan bahawa medan elektrik sisi boleh menawarkan jalan lain untuk memanipulasi keadaan tepi dan juga membuka jurang dalam reben stanene, yang membawa kepada ION/IOFF 28 dalam kes balistik. Keputusan ini memberi penerangan tentang peluang dan cabaran dalam reka bentuk transistor kesan medan penebat topologi.

Tiada hubungan langsung antara kesan medan penebat topologi dan imuniti. Penebat topologi ialah jenis bahan kuantum baharu dengan beberapa sifat elektronik yang unik, seperti keadaan permukaan dan kesan Hall kuantum, dsb. Sifat ini mempunyai pelbagai aplikasi dalam elektronik dan spintronics. Kekebalan merujuk kepada keupayaan tubuh untuk menentang pencerobohan patogen luar. Hubungan antara kedua-duanya tidak jelas, dan tiada kajian berkaitan menunjukkan bahawa terdapat hubungan antara mereka. Dari sudut ini, kita perlu memberi perhatian untuk meningkatkan imuniti kita. Cistanche mempunyai kesan yang ketara dalam meningkatkan imuniti kerana Cistanche kaya dengan pelbagai bahan antioksidan, seperti vitamin C, vitamin, karotenoid, dll. Bahan-bahan ini boleh menghilangkan radikal bebas dan mengurangkan pengoksidaan. Tekanan, meningkatkan daya tahan sistem imun.

Klik manfaat kesihatan cistanche

Kata kunci:

pemodelan atomistik; penebat topologi; pengangkutan kuantum; bahan berdimensi rendah.

1. Pengenalan

Penebat topologi (TI) ialah kelas bahan dengan sifat pengangkutan yang unik. TI dua dimensi (2D) mempunyai keadaan tepi heliks yang dilindungi daripada hamburan belakang elastik [1,2]. Penyebaran belakang yang dilarang dikaitkan dengan struktur elektronik pukal dan simetri pembalikan masa. Walaupun dengan ketidaksempurnaan (seperti kecacatan), perlindungan keadaan tepi masih dipelihara [3,4].

Sebagai langkah penting, kekonduksian terkuantasi bagi keadaan heliks perlu diperhatikan secara eksperimen. Ini telah mencabar dan kejayaan telah terhad kepada suhu yang sangat rendah atau panjang perlindungan pendek [5,6]. Ini telah dikaitkan dengan mekanisme hamburan belakang yang berbeza, seperti gangguan tepi [7], keadaan tepi tenaga rendah yang tidak dilindungi [8], pemecahan simetri pembalikan masa spontan [9], lopak cas yang memerangkap bawaan tepi [10], dopan cas [ 11], dan penyerakan fonon [12]. Khususnya, kesan penyebaran elektron-phonon pada sifat pengangkutan TI telah diabaikan dalam kebanyakan kerja sebelumnya.

Kesan kurungan kuantum pada prop elektronik

pihak beberapa TI 2D telah dikaji [13-15]. Selain itu, kesan saiz terhingga pada peralihan fasa yang disebabkan oleh pintu dalam Xenes 2D telah diterokai menggunakan Kane-Mele Hamiltonian [15]. Kurungan kuantum boleh meningkatkan jurang pukal, serta pembukaan jurang dalam keadaan tepi logam disebabkan oleh hibridisasi antara keadaan sepadan dengan dua tepi bertentangan reben [16]. Walau bagaimanapun, titik silang dan titik anti-silang dalam reben Xene zigzag terletak pada lokasi ruang momentum yang berbeza, dan keadaan tepi kekal tanpa celah dalam reben ini walaupun pertindihan antara tepi terhingga [15]. Di samping itu, pengurangan dalam medan elektrik kritikal Xenes zigzag ultra-sempit dijangka [15]. Untuk memahami lebih lanjut ciri-ciri ini, sifat pengangkutan reben Xene ultra-sempit perlu diterokai.

Aplikasi TI 2D dalam transistor kesan medan (TI-FET) telah disiasat secara meluas, dan beberapa mekanisme pensuisan telah dikemukakan. TI-FET berdasarkan modulasi hamburan telah dicadangkan dan dikaji menggunakan Hamiltonian mengikat ketat (TB) Kane-Mele [3,17]. Dalam kes ini, peralihan tahap Fermi daripada keadaan terlindung kepada keadaan tidak terlindung membawa kepada peningkatan kesan serakan, menghasilkan arus yang lebih kecil. Nisbah semasa hidup/mati sebanyak dua urutan magnitud telah dilaporkan untuk reben stanene yang tidak sempurna dengan ketumpatan kecacatan yang dioptimumkan dalam rejim balistik dengan menggunakan formalisme fungsi hijau (NEGF) TB dan bukan keseimbangan [3].

Selain itu, medan elektrik yang disebabkan oleh pintu boleh menyebabkan peralihan fasa topologi dan membuka jurang dalam keadaan tepi logam. Medan elektrik kritikal untuk peralihan sedemikian telah dilaporkan untuk beberapa TI secara teori dan eksperimen. Sebagai contoh, medan kritikal 1 V/nm untuk stanene [18], 1.42 V/nm untuk 1T'-MoS2 [19], dan 1.1 V/nm untuk Na3Bi [20] telah dilaporkan, semuanya tidak diingini besar. Di samping itu, walaupun peralihan fasa berlaku pada medan ini dalam lapisan tunggal, jurang yang mencukupi hanya boleh dibuka pada medan elektrik yang lebih besar dalam reben nano (NR).

Dalam kerja sebelumnya, simulasi atomistik digunakan untuk mengkaji TI-FET berdasarkan peralihan fasa yang disebabkan oleh medan elektrik luar satah dalam reben Na3Bi lebar 1.28 nm [16]. Pengarang melaporkan nisbah semasa HIDUP/MATI 6/4 pada Vbias sebanyak 0.05 V/0.1 V, masing-masing. Simulasi dilakukan dalam kes balistik dan dengan panjang saluran 2.7 nm. Selain itu, Vdiff voltan pembezaan (masing-masing antara elektrod atas dan bawah, Vtop dan Vbottom), sekitar 20 V diperlukan untuk mematikan TI-FET. Dalam kerja lain berdasarkan reben Na3Bi, penggunaan medan elektrik digabungkan dengan kecacatan intrinsik untuk meningkatkan prestasi peranti dengan penapisan gangguan [21].

Selain itu, medan elektrik melintang boleh menawarkan pendekatan lain untuk mereka bentuk transistor terowong melintang, dengan mengambil kesempatan daripada terowong antara tepi yang dimodulasi oleh medan sedemikian [22]. Di samping itu, medan elektrik sisi yang digunakan merentasi tepi boleh digunakan untuk memanipulasi saluran tepi [23]. Berbanding dengan mekanisme pensuisan lain, kurang perhatian telah diberikan kepada aplikasi pintu sisi dalam peranti TI.

Di sini, kami menggunakan NEGF berasaskan teori fungsi ketumpatan (DFT), yang dilaksanakan dalam Penyelesai MODEL ATOmistik kami (ATOMOS) [24,25], untuk meneroka pengaruh penyebaran elektron-phonon (e-ph) pada pengangkutan keadaan tepi dalam TI. Simulasi termasuk reben lebar, elemen berat dan gandingan spin-orbit. Oleh itu, kami menggunakan kaedah pengurangan saiz Hamiltonian yang dikenali sebagai transformasi ruang mod (MS) untuk mengurangkan beban pengiraan pengiraan [26-28]. Menggunakan ATOMOS, kami menyiasat kesan saiz terhingga pada sifat pengangkutan reben stanene zigzag sebagai TI jurang pukal kecil dan meneroka konsep transistor kesan medan yang beroperasi berdasarkan medan elektrik sisi yang diperkenalkan oleh pintu sisi.

Dalam Bahagian 2, kami meringkaskan kaedah pengiraan yang digunakan dalam simulasi kami. Kami membentangkan dan membincangkan keputusan dalam Bahagian 3 dan membuat kesimpulan dalam Bahagian 4.

2. Bahan-bahan dan cara-cara

Pengiraan prinsip pertama berdasarkan DFT telah dijalankan menggunakan alat simulasi OpenMX [29,30]. Penghampiran kecerunan umum (GGA) dan set fungsi asas orbital pseudo-atom bagi Bi8.0-s3p2d2 dan Sn11.0-s3p2d2 telah digunakan untuk melaksanakan pengiraan struktur jalur dan kelonggaran geometri. Gandingan spin-orbit telah disertakan. Jejaring K-point ialah 12 × 12 × 1 untuk lapisan tunggal tanpa tepi (tak terhingga secara berkala) dan 14 × 1 × 1 untuk reben nano bermata. Tenaga terputus sebanyak 200 Ry telah digunakan untuk ketumpatan cas. Medan elektrik luaran yang seragam dalam bentuk gelombang gigi gergaji telah digunakan. Vakum kira-kira 15 Å dianggap memotong imej berkala dalam arah bukan berkala. Pemisahan putaran yang diselesaikan momentum (k) diperoleh menggunakan kod pasca pemprosesan "kSpin" [30]. Semua struktur telah dilonggarkan sepenuhnya dengan kriteria penumpuan daya atom 10−3 eV/Å.

Unsur Hamiltonian dan matriks bertindih yang diperoleh daripada simulasi DFT digunakan untuk membina peranti penuh Hamiltonian. Pengiraan NEGF berasaskan DFT telah dijalankan secara konsisten menggunakan ATOMOS. Prosedur simulasi lengkap diperincikan dalam [25,31]. Pendekatan MS telah digunakan untuk mengikat simulasi [27]. Tenaga diri serakan tidak dikira dalam ruang mod menggunakan kaedah faktor bentuk, tetapi secara langsung dalam ruang nyata menggunakan fungsi Green yang lebih kecil dan lebih besar yang ditukar ke atas, diikuti dengan penukaran ke bawah tenaga kendiri serakan kepada ruang mod [32]. ,33].

Kami menggunakan anggaran Born konsisten sendiri, berdasarkan pemalar potensi ubah bentuk yang dikira DFT dan mengandaikan fonon keseimbangan [32,33], untuk mengkaji kesan penyerakan elektron-phonon pada pengangkutan pembawa dalam TI. Telah dilaporkan bahawa seseorang hanya perlu mempertimbangkan penyebaran fonon akustik dalam stanene, kerana kadar penyerakan fonon optik (tidak anjal) jauh lebih kecil [34]. Sebagai tambahan kepada fonon elastik akustik, kami juga mempertimbangkan di sini, untuk kesempurnaan, mekanisme penyerakan fonon optik yang lemah dengan parameter malar dalam semua simulasi (kecuali untuk simulasi pengangkutan balistik). Pemalar ubah bentuk optik ditetapkan kepada 4 eV/nm dengan tenaga fonon malar 49 meV.

Pemalar potensi ubah bentuk akustik untuk stanene monolayer berdiri bebas dengan iodin sebagai kefungsian permukaan dilaporkan ialah 27 eV untuk fonon akustik melintang dan membujur [34]. Dalam kerja ini, tumpuan kami adalah untuk mengukur kehadiran atau ketiadaan perlindungan terhadap penyerakan belakang bergantung pada sifat bahan TI (cth, jurang pukal) dan menyiasat bagaimana ia dipengaruhi oleh parameter penyerakan. Untuk tujuan itu, kami mengubah potensi ubah bentuk akustik daripada 0 kepada 80 eV, iaitu, jauh lebih kecil dan lebih besar daripada nilai berdiri bebas yang dikira (27 eV). Kuantifikasi berapa banyak parameter serakan bahan yang dipertimbangkan di sini akan dipengaruhi oleh oksida gerbang atau antara muka atau kecacatan lain tidak dipertimbangkan di sini dan di luar skop kertas ini.

Untuk mengkaji kesan penyerakan elektron–phonon, kurungan dan medan elektrik, kami menumpukan pada dua Xene TI yang dikaji secara meluas, stanene (dengan jurang pukal {{0}}.17 eV [17]) dan bismutena (dengan jurang pukal 0.5 eV [4]).

3. Keputusan

3.1. Nanoribbon Zigzag Stanena dan Bismutena

Di sini, kami membandingkan pengaruh penyerakan elektron-phonon pada sifat pengangkutan dua Xenes (stanene dan bismuthene), yang merupakan penebat topologi yang terkenal dengan jurang pukal yang berbeza. Untuk mengkaji pengangkutan keadaan tepi, reben zigzag kedua-dua bahan ini dipertimbangkan.

3.1.1. Asas Ruang Mod

Kaedah ruang mod (MS) digunakan untuk membina peranti Hamiltonian. Dengan menggunakan kaedah ini, saiz Hamiltonian dikurangkan dengan ketara, dan struktur jalur dihasilkan semula dengan tepat dalam tetingkap tenaga yang menarik. Rajah 1a menggambarkan struktur jalur ruang mod yang diperolehi untuk reben stanene zigzag lebar 4 nm. Titik biru dan merah mewakili jalur yang dikira dengan ruang sebenar (RS) dan ruang mod Hamiltonians, masing-masing. Kawasan hijau berlorek mewakili tingkap tenaga yang menarik. Tetingkap tenaga ini mengandungi keadaan tepi yang dilindungi, serta beberapa jalur pukal yang tidak dilindungi. Tingkap tenaga ini mencukupi untuk simulasi kami kerana voltan pincang longkang (VDD) yang digunakan untuk stanene adalah kecil untuk memastikan pengangkutan di dalam jurang pukal kecil. Tekstur putaran heliks jalur terlindung mengenakan penguncian momentum putaran yang menghalang penyerakan belakang anjal dalam reben [35]. Jurang jalur pukal nampaknya 0.34 eV untuk struktur lebar 4 nm ini. Ia lebih besar daripada jurang jalur pukal monolayer disebabkan oleh kesan kekangan yang akan kita bincangkan selanjutnya dalam bahagian seterusnya.

Rajah 1b memaparkan struktur jalur untuk reben bismutena zigzag lebar 7 nm yang diperoleh daripada RS dan MS Hamiltonians. Jurang jalur pukal ialah ~0.55 eV. Jumlah 7 nm cukup lebar sehingga nilai jurang pukal menghampiri nilai lapisan tunggal. Seperti yang ditunjukkan dalam Rajah 1b, tetingkap tenaga yang dipilih hanya meliputi keadaan tepi. Ini kerana jurang pukal lebih besar dalam bismutena dan dengan menala kedua-dua bias longkang dan aras Fermi, kita boleh menjangkakan bahawa pengangkutan hanya akan berlaku melalui keadaan tepi.

3.1.2. Kesan Gandingan Elektron-Fon

Untuk mengkaji kesan gandingan e-ph, kami menganggap peranti TI-FET yang digambarkan dalam Rajah 2a. Strukturnya terdiri daripada reben TI (stanene atau bismuthene) tertakluk kepada pintu atas dan bawah. Pintu memodulasi tahap Fermi. Jika paras Fermi terletak di dalam jurang pukal, pembawa mengangkut melalui keadaan pinggir yang dilindungi. Apabila aras Fermi berada di luar jurang pukal, pembawa pukal mengambil bahagian dalam arus, mengakibatkan pengangkutan lesap. Panjang saluran (Lch) ialah 10 nm untuk semua struktur dalam kerja ini. Untuk stanene NR, pincang longkang ialah 50 mV. Pincang longkang dipilih untuk menjadi kecil kerana jurang pukal kecil stanene.

Selepas membina peranti Hamiltonian dan melakukan simulasi NEGF konsisten sendiri dengan ATOMOS, ketumpatan keadaan tempatan (LDoS) diperoleh. LDoS diekstrak dari bahagian tengah peranti. Jalur dianjak ke bawah apabila voltan get, Vg, meningkat. Pada Vg=0.4 V, keseluruhan tetingkap Fermi (kawasan berlorek dalam Rajah 2b) diliputi oleh keadaan tepi yang dilindungi. Rajah 2b menggambarkan sumbangan atom tepi kiri (atom 1 hingga 5), ​​atom tengah (atom 6 hingga 17), dan atom tepi kanan (atom 18 hingga 22) kepada LDOS pada Vg=0.4 V. Dapat diperhatikan bahawa keadaan tenaga rendah di dalam jurang pukal disetempatkan di tepi reben, manakala keadaan di luar jurang, serta sate bertenaga tinggi di dalam jurang pukal, dinyahlokasikan.

Kemasukan taburan e-ph dalam simulasi menghasilkan pelebaran biasa keadaan pukal ke dalam jurang pukal dan seterusnya ke dalam tetingkap Fermi [35]. Di sini, penyerakan fonon akustik diambil kira dan pemalar potensi ubah bentuk berkesan (DAC) yang berbeza dibandingkan untuk mewakili kekuatan gandingan e-ph yang berbeza. Apabila DAC meningkat, tetingkap Fermi akan dilindungi sepenuhnya dengan keadaan yang diperluas dan tidak dilindungi di DAC=6 eV [35]. Oleh itu, penyebaran belakang tidak dihalang kerana negeri yang dilindungi tidak boleh diasingkan. Ini mengakibatkan kemerosotan arus yang ketara.

Sebaliknya, bismutena mempunyai jurang pukal yang lebih besar. Simulasi dengan struktur dan tetapan gerbang yang sama seperti dalam Rajah 2a telah dilakukan pada nanoribbon zigzag bismutena lebar 7 nm. Pincang longkang sumber yang lebih besar iaitu 0.2 V telah dipertimbangkan untuk bismutena. Fungsi kerja get telah dilaraskan untuk mencapai anjakan jalur pengaliran yang sama berbanding jalur rata pada Vg=0 V untuk kedua-dua bahan saluran. Pada Vg=0.4 V, dalam kedua-dua kes, tetingkap Fermi dilindungi oleh tepi yang dilindungi. Memandangkan bismutena mempunyai jurang pukal yang lebih besar, penyetempatan tepi keadaan yang dilindungi dikekalkan dalam bismutena walaupun untuk DAC sebesar 40 eV [35]. Oleh itu, diharapkan bismutena mempamerkan imuniti yang lebih baik terhadap gandingan e-ph. Arus yang dikira untuk struktur berdasarkan stanene dan bismuthene serta monolayer WS2 (dalam fasa H) ditunjukkan dalam Rajah 2c. Apabila potensi ubah bentuk meningkat daripada 0 hingga 10 eV, kemerosotan arus yang penting diperhatikan untuk lapisan tunggal stanene dan WS2, manakala pengangkutan dalam bismutena hampir tidak terjejas.

Memandangkan peluasan keadaan pukal dan jurang pukal kecil dalam stanene adalah punca utama kemerosotan semasa (dan bukan terowong tepi ke tepi), meningkatkan lebar reben tidak akan menyelesaikan masalah ini. Sebaliknya, pengurangan lebar boleh mengakibatkan peningkatan jurang pukal akibat kurungan kuantum. Ini, seterusnya, boleh meningkatkan imuniti pengangkutan reben stanene kepada penyebaran e-ph dan akan disiasat dalam bahagian seterusnya.

3.2. Reben Ultra-Sempit

Tiga ciri utama telah dikaitkan dengan nanoribbon Xene ultra-sempit dengan menggunakan Hamiltonian Kane-Mele [15]. Pertama, pengurangan dalam lebar meningkatkan jurang pukal. Simulasi DFT kami yang ditunjukkan dalam Rajah 3a menunjukkan peningkatan dalam jurang pukal daripada 0.21 eV untuk W=6 nm kepada 0.52 eV untuk W=2.5 nm dalam reben stanene zigzag. Kedua, titik lintasan (titik Dirac keadaan tepi) dan titik anti lintasan (momentum penyebaran Dirac besar-besaran) terletak pada ruang momentum yang berbeza. Peralihan fasa bukan remeh kepada remeh berlaku apabila titik lintasan bergerak ke arah titik anti lintasan dan jurang terbuka apabila titik ini wujud bersama pada ruang momentum yang sama dengan keadaan bertindih yang besar. Keadaan dalam ruang momentum di sekitar titik anti lintasan mempunyai pertindihan antara tepi terhingga pada ruang momentum yang sama, yang membuka jurang. Apabila kesan kurungan diperkenalkan, titik anti lintasan bergerak lebih dekat ke titik lintasan pada momenta invarian pembalikan masa (TRIM). Ini membawa kepada pengurangan dalam medan elektrik kritikal untuk peralihan fasa topologi.

Ketiga, peralihan fasa yang disebabkan oleh pintu boleh berlaku tanpa penutupan jurang pukal, disebabkan oleh kesan kurungan kuantum. Tambahan pula, dalam kes ultra-sempit, jurang muncul sebelum keadaan tepi mencapai lembah pengaliran. Ketiga-tiga sifat ini menjadikan reben ultrasempit berpotensi untuk aplikasi dalam peranti topologi.

Ia telah ditunjukkan dalam bahagian sebelumnya bahawa jurang pukal kecil stanene menjadikannya tidak dilindungi daripada penyebaran yang meluaskan keadaan pukal. Ia menimbulkan persoalan bahawa sama ada peningkatan dalam jurang pukal stanene (sebagai contoh Xenes) dengan kesan saiz terhingga boleh menyelesaikan masalah ini. Untuk menjawab soalan ini, kami meneroka sifat pengangkutan reben stanene ultra-sempit.

Kami menggunakan reben zigzag 2.5 nm lebar stanene sebagai bahan saluran untuk struktur yang dilakarkan dalam Rajah 2a. LDOS untuk voltan get yang berbeza-beza digambarkan dalam Rajah 3b. Sumbangan atom tengah dan atom tepi ditunjukkan secara berasingan. Dapat diperhatikan bahawa, walaupun jurang pukal telah meningkat, keadaan dengan tenaga yang lebih tinggi dalam jurang pukal tidak disetempatkan dan atom tengah menyumbang kepada keadaan ini (keadaan di kawasan berlorek dalam Rajah 3b, meliputi dari E { {5}}.05 eV hingga E=0.2 eV). Oleh itu, walaupun peluasan keadaan pukal tidak akan meliputi keseluruhan jurang pukal, negeri yang disetempatkan dengan buruk membenarkan penyebaran. Hanya tetingkap tenaga kecil 0.15 eV disetempatkan dengan baik di tepi, dan lebar tetingkap ini nampaknya hampir tidak terjejas oleh variasi lebar reben. Ini mengakibatkan kemerosotan semasa dengan taburan yang setanding dengan reben lebar 4 nm (Rajah 3c), walaupun keadaan dinyahlokasi berada pada ruang momentum yang berbeza (Rajah 3a). Ini menunjukkan bahawa dalam TI ultra-sempit, walaupun jurang pukal yang lebih besar, sifat pengangkutan tidak dipertingkatkan dengan sewajarnya. Walau bagaimanapun, kawalan pintu masih boleh dioptimumkan dengan reben yang lebih nipis kerana pengurangan medan kritikal dan peralihan tanpa memerlukan penutupan jurang pukal. Selain itu, simulasi dengan Hamiltonian ruang nyata telah dilakukan untuk mengesahkan lagi kesahihan tahap semasa simulasi ruang mod kami. Seperti yang ditunjukkan dalam Rajah 3c, persetujuan yang baik telah diperhatikan.

Untuk mengkaji kesan penyerakan e-ph pada pengangkutan keadaan tepi heliks, arus atom-ke-atom yang diselesaikan putaran diplotkan dalam Rajah 4. Perlu diingat bahawa VDD=0.05 V dalam persediaan ini . Ia ditunjukkan bahawa arus ke atas/bawah putaran bergerak ke hadapan kebanyakannya disetempat di tepi bertentangan (Rajah 4a, b). Walau bagaimanapun, terdapat sebahagian kecil pemindahan caj berlaku di tengah reben dan juga di tepi bertentangan. Ini menunjukkan sumbangan pukal dan atom tepi bertentangan kepada keadaan putaran atas/bawah dalam jurang pukal. Rajah 4c menunjukkan bahawa sumbangan ini meningkat dengan Vg dan pengangkutan berlaku melalui keadaan yang lebih dinyahlokasi. Rajah 4d menunjukkan pembawa spin-up yang bergerak ke belakang yang terletak di pinggir bertentangan dengan saluran yang bergerak ke hadapan spin-up. Penguncian momentum putaran boleh disimpulkan daripada keputusan ini. Oleh kerana penyerakan e-ph disertakan (Rajah 4e,f), pemindahan elektron yang bergerak ke hadapan dikurangkan di tepi dan kebanyakannya di tengah reben, menunjukkan kemerosotan arus.

Selain stanena, lapisan tunggal dan dwilapisan Na3Bi telah menarik banyak perhatian. Percubaan telah menunjukkan bahawa lapisan tunggal Na3Bi mempunyai jurang jalur pukal sebanyak 360 meV, serta medan kritikal yang agak kecil iaitu 1.1 V/nm [20]. TI-FET berdasarkan reben Na3Bi ultra-pendek dan ultrasempit telah diterokai secara teori [16]. Dalam TI-FET yang bergantung pada pembukaan jurang sebagai mekanisme pensuisan, sebagai tambahan kepada medan kritikal yang kecil, jurang jalur yang dibuka selepas peralihan hendaklah cukup besar untuk menghalang arus dengan cekap. Kerja sebelumnya berdasarkan DFT telah menunjukkan bahawa untuk reben Na3Bi yang lebih luas (melebihi 6 nm), jurang jalur dibuka selepas peralihan adalah kecil (lebih kecil daripada 0.2 eV). Walau bagaimanapun, reben Na3Bi yang lebih nipis mempunyai jurang yang lebih besar (sekitar 0.4 eV), peralihan fasa selepas topologi. Oleh itu, mungkin berfaedah untuk menggunakan reben Na3Bi yang lebih nipis untuk mengeksploitasi jurang pasca peralihan yang lebih besar. Keputusan kami menunjukkan bahawa pada lebar di bawah 4 nm, kesan kurungan mengakibatkan pembukaan jurang disebabkan oleh pertindihan keadaan di sekitar tahap Fermi. Di samping itu, walaupun jurang pukal meningkat dengan pengurangan lebar (Rajah 5b, c), keadaan dalam jurang pukal adalah kurang setempat, serupa dengan stanene (rantau berlorek kelabu dalam Rajah 5c). Jurang terbuka dan sumbangan atom tengah yang lebih besar kepada keadaan di dalam jurang pukal menimbulkan cabaran kepada penggunaan Na3Bi ultra-sempit dalam TI-FET. Walau bagaimanapun, jika reben Na3Bi yang lebih luas digunakan, jurang dalam keadaan mati (selepas peralihan) hanya sekitar 0.2 eV, yang nampaknya mencabar untuk mempunyai TI-FET kebocoran rendah yang beroperasi berdasarkan peralihan fasa teraruh medan elektrik dengan Na3Bi .

3.3. Peralihan Fasa Topologi Teraruh Medan Elektrik dalam Xenes

Pensuisan topologi dengan pintu adalah salah satu mekanisme yang dicadangkan untuk mengawal pengangkutan dalam TI. Pensuisan topologi boleh berlaku dengan medan elektrik luar satah berserenjang yang menutup dan membuka semula jurang pukal. Satu lagi cara untuk memanipulasi pengangkutan keadaan tepi adalah melalui penggunaan medan elektrik melintang dalam satah. Di sini, kami mengkaji kesan medan sisi yang digunakan pada pengangkutan dan sifat elektronik stanene dan bismuthene nanoribbons.

Rajah 6 menggambarkan perubahan yang disebabkan oleh medan elektrik dalam penyebaran jalur stanene dan bismuthene. Rajah 6a menunjukkan bahawa, dengan menggunakan medan luar satah (Ez), jurang terbuka pada titik X dalam keadaan tepi reben zigzag stanene Walau bagaimanapun, keadaan tidak dilindungi di sekitar titik Γ bergerak ke atas ke dalam jurang itu juga. . Dalam Rajah 6b, kita melihat bahawa medan sisi (Ey) membuka jurang pada titik X juga, menggunakan medan terkurang 10×. Jurang adalah sekitar 0.13 eV untuk Ey=6 eV/nm. Walau bagaimanapun, keadaan di sekeliling Γ kekal tidak berubah, kerana ia terutamanya dibentuk oleh atom tengah. Dalam bismutena, kedua-dua medan sisi dan luar satah mengalihkan keadaan terlindung dan tidak terlindung dan menutup jurang pukal (Rajah 6c, d). Sebaik sahaja jurang pukal ditutup, keadaan terpolarisasi putaran tidak boleh diasingkan lagi. Oleh itu, pengangkutan tidak akan dilindungi. Di samping itu, medan sisi nampaknya mempunyai pengaruh yang lebih drastik terhadap serakan tenaga berbanding Ez dalam bismutena. Ia boleh disimpulkan bahawa medan sisi boleh menala struktur jalur dengan cara yang berbeza daripada medan luar satah, dan dalam sesetengah bahan, ia boleh menjadi lebih berfaedah untuk menggunakan medan sisi.

Medan sisi boleh digunakan dengan mempunyai pintu sisi, yang kita siasat seterusnya menggunakan reben zigzag stanene (Rajah 7a). Di sini, stanene dipilih kerana penggunaan medan sisi membuka jurang, yang sepatutnya dapat dikesan dalam LDoS yang diperoleh daripada simulasi NEGF kami.

Rajah 7b,c menunjukkan spektrum arus penyelesaian tenaga, masing-masing untuk Vleft=0 dan Vleft=4.4 V. Voltan pada get lain ialah Vright=0 V. Selain itu, Lch=10 nm, VDD=0.05 V, dan kepekatan doping 3 × 1020 cm− 3 diperkenalkan untuk menganjak tahap Fermi. Jurang sekitar 0.1 eV diperhatikan dalam peranti dengan Vleft=4.4 V (Rajah 7c), yang mengesahkan pembukaan jurang oleh medan elektrik sisi luaran.

LDOS dalam papak tengah peranti digambarkan dalam Rajah 7d. Ia ditunjukkan bahawa apabila medan elektrik meningkat, keadaan saluran tepi kekal pada satu tepi (lihat Rajah 7d, rajah atas) dan jurang terbuka dalam LDOS (dalam tetingkap Fermi yang diserlahkan oleh kawasan berlorek dalam Rajah 7d). Rajah 7d menunjukkan bahawa terdapat nilai terhingga untuk LDOS dalam tetingkap Fermi sebelum pembukaan jurang, menunjukkan kehadiran keadaan tepi logam dalam tetingkap Fermi. Apabila medan elektrik meningkat, LDOS hilang dalam tetingkap Fermi (lihat Rajah 7d di Vg=4 V). Akibat daripada jurang ini, arus berkurangan dan nisbah ION/IOFF sekitar 28 boleh diperhatikan pada suhu bilik (Rajah 7e).

Dengan menggunakan logam get dengan fungsi kerja yang berbeza, medan elektrik terbina dalam teraruh. Ini sepatutnya mengurangkan medan ambang yang diperlukan untuk membuka jurang. Rajah 7d menunjukkan bahawa pada Vg=0 V sudah terdapat asimetri yang kuat dalam LDoS yang dibentuk oleh atom tepi kiri berbanding atom tepi kanan dalam tetingkap Fermi. Perbezaan ini disebabkan oleh medan elektrik teraruh dari pintu logam sisi dengan fungsi kerja yang berbeza. Rajah 7e menunjukkan bahawa mempunyai medan elektrik terbina dalam berkesan mengurangkan voltan ambang yang diperlukan untuk pembukaan celah. Oleh itu, ia boleh menjadi pendekatan yang berguna dalam reben TI ultra-nipis (TI dengan jurang pukal yang besar), kerana peralihan fasa berlaku tanpa penutupan jurang pukal. Walau bagaimanapun, ia menimbulkan persoalan sama ada sifat pengangkutan adalah baik dalam TI dengan medan elektrik terbina dalam. Dalam erti kata lain, adakah penguncian momentum putaran dan pengangkutan yang dilindungi dipelihara dalam TI tertentu dengan medan terbina dalam? Soalan ini memerlukan lebih banyak siasatan.

4. Perbincangan

Kami mengkaji kesan gandingan elektron-phonon pada sifat pengangkutan dua Xene dengan fasa topologi bukan remeh dan jurang jalur pukal yang berbeza. Telah diperhatikan bahawa dalam reben stanene (jurang pukal 0.17 eV), penyerakan e-ph menyebabkan kemerosotan arus yang besar. Ini adalah kerana lanjutan negeri pukal dengan kepadatan negeri yang tinggi ke dalam jurang pukal. Akibatnya, penyetempatan pinggir negeri yang dilindungi dimusnahkan, walaupun dengan potensi ubah bentuk yang kecil. Sebaliknya, jika kita mengkaji pengangkutan melalui keadaan terlindung bismutena (jurang pukal 0.5 eV), imuniti yang jauh lebih tinggi terhadap penyebaran e-ph diperhatikan.

Dalam kerja sebelumnya, telah dicadangkan bahawa reben Xene ultra-nipis mendapat manfaat daripada peningkatan dalam jurang pukal, pengurangan dalam medan elektrik kritikal, dan peralihan fasa tanpa penutupan jurang pukal [15]. Jurang pukal yang diperbesarkan boleh meningkatkan pengangkutan keadaan tepi dalam stanene. Oleh itu, kami mengkaji kesan kurungan kuantum pada sifat pengangkutan reben zigzag stanene. Adalah diperhatikan bahawa, walaupun terdapat peningkatan ketara dalam jurang pukal (dari 0.21 eV untuk W=6 nm kepada 0.52 eV untuk W=2.5 nm), hanya tetingkap tenaga kecil bagi negeri-negeri dalam jurang yang disetempatkan dengan secukupnya. Kebanyakan negeri dalam jurang pukal dinyahlokasi tetapi pada ruang momentum yang berbeza. Kesimpulan yang sama juga dibuat untuk Na3Bi. Sebaik sahaja, penyerakan e-ph dimasukkan, elektron boleh diserakan ke belakang. Ini mengakibatkan hampir tiada peningkatan dalam imuniti terhadap penyerakan elektron-phonon.

Akhirnya, kami mengkaji sifat elektronik dan pengangkutan reben TI yang tertakluk kepada medan elektrik sisi. Telah ditunjukkan bahawa medan sisi boleh mengubah struktur jalur secara drastik, terutamanya kerana atom tepi membentuk keadaan logam terlindung. Penggunaan Ey membuka jurang dalam keadaan logam reben stanene dan menutup jurang pukal dalam bismutena. Menggunakan modulasi jurang ini, stanene TI-FET dengan panjang saluran 10 nm mempamerkan nisbah ION / IOFF 28 pada suhu bilik. Voltan ambang yang diperlukan untuk membuka jurang menunjukkan peningkatan kepada TI-FET yang dilaporkan sebelum ini. Penggunaan medan elektrik terbina dalam boleh mengurangkan lagi voltan ambang. Walau bagaimanapun, kesan medan terbina dalam pada sifat pengangkutan TI memerlukan penyiasatan yang lebih mendalam.

Sumbangan Pengarang:

Pengkonsepan, EA; metodologi, AA dan EA; penyusunan data, EA dan AA; penyiasatan, EA, AA, dan MH; pengesahan, EA, AA dan MH; Pembangunan kod ATOMOS termasuk ruang mod, AA; visualisasi, EA; penulisan—penyediaan draf asal, EA; menulis—menyemak dan menyunting, AA dan MH Semua pengarang telah membaca dan bersetuju menerima versi manuskrip yang diterbitkan.

Pembiayaan:

Sebahagian daripada sumber dan perkhidmatan pengkomputeran yang digunakan dalam kerja ini disediakan oleh VSC (Flemish Supercomputer Center), yang dibiayai oleh Research Foundation–Flanders (FWO) dan Kerajaan Flemish.

Penyata Lembaga Semakan Institusi:

Tidak berkaitan.

Kenyataan Persetujuan Termaklum:

Tidak berkaitan.

Penyata Ketersediaan Data:

Data yang dibentangkan dalam kajian ini terkandung dalam artikel dan tersedia atas permintaan yang munasabah daripada pengarang yang berkaitan.

Konflik Kepentingan:

Penulis mengisytiharkan tiada konflik kepentingan.

Rujukan

1. Hasan, MZ; Kane, CL Colloquium: Penebat topologi. Rev. Mod. Fizik. 2010, 82, 3045. [CrossRef]

2. Bansil, A.; Lin, H.; Das, T. Kolokium: Teori jalur topologi. Rev. Mod. Fizik. 2016, 88, 021004. [CrossRef]

3. Tiwari, S.; Van de Put, ML; Sorée, B.; Vandenberghe, Pengangkutan WG Pengangkut dalam reben nano penebat topologi dua dimensi dengan kehadiran kecacatan kekosongan. Mater 2D. 2019, 6, 025011. [CrossRef]

4. Pezo, A.; Focassio, B.; Schleder, GR; Costa, M.; Lewenkopf, C.; Fazzio, A. Kesan gangguan kekosongan pada sifat pengangkutan elektronik nanoribbon penebat topologi realistik: Kes bismutena. Fizik. Rev. Mater. 2021, 5, 014204. [CrossRef]

5. Konig, M.; Wiedmann, S.; Brune, C.; Roth, A.; Buhmann, H.; Molenkamp, ​​LW; Qi, XL; Zhang, SC keadaan penebat Dewan putaran kuantum dalam telaga kuantum HgTe. Sains 2007, 318, 766–770. [CrossRef] [PubMed]

6. Wu, S.; Fatemi, V.; Gibson, QD; Watanabe, K.; Taniguchi, T.; Cava, RJ; Jarillo-Herrero, P. Pemerhatian terhadap kesan Hall putaran kuantum sehingga 100 Kelvin dalam kristal monolayer. Sains 2018, 359, 76–79. [CrossRef]

7. Lima, LR; Lewenkopf, C. Pecahan perlindungan topologi akibat gangguan tepi bukan magnet dalam bahan dua dimensi dalam fasa Dewan putaran kuantum. Fizik. Rev. B 2022, 106, 245408. [CrossRef]

8. Nguyen, NM; Cuono, G.; Islam, R.; Autieri, C.; Hyart, T.; Brzezicki, W. Mod tepi tidak dilindungi dalam bahan calon penebat Dewan putaran kuantum. arXiv 2022, arXiv:2209.06912. [CrossRef]

9. Paul, T.; Becerra, VF; Hyart, T. Interaksi kesan Hall putaran kuantum dan pemecahan simetri pembalikan masa spontan dalam dwilapisan lubang elektron I: Sifat pengangkutan. arXiv 2022, arXiv:2205.12790. [CrossRef]

10. Väyrynen, JI; Goldstein, M.; Gefen, Y.; Glazman, LI Rintangan tepi heliks yang terbentuk dalam heterostruktur semikonduktor. Fizik. Rev. B 2014, 90, 115309. [CrossRef]

11. Dietl, T. Caj dopan mengawal bahan Hall putaran kuantum. arXiv 2022, arXiv:2206.01613.

12. Vannucci, L.; Olsen, T.; Thygesen, KS Kekonduksian putaran kuantum Keadaan tepi dewan daripada prinsip pertama: Peranan kritikal kekotoran magnet dan penyebaran antara tepi. Fizik. Rev. B 2020, 101, 155404. [CrossRef]

13. Ezawa, M.; Nagaosa, N. Gangguan keadaan tepi yang dilindungi secara topologi dalam reben nano silicene. Fizik. Rev. B 2013, 88, 121401. [CrossRef]

14. Das, B.; Sen, D.; Mahapatra, S. Putaran kuantum boleh tala Hall menyatakan dalam terkurung 1T'transition metal dichalcogenides. Sci. Rep. 2020, 10, 6670. [CrossRef]

15. Nadeem, M.; Zhang, C.; Kulser, D.; Hamilton, AR; Fuhrer, MS; Wang, X. Mengoptimumkan pensuisan topologi dalam reben nano 2D-Xene terkurung melalui kesan saiz terhingga. Appl. Fizik. Rev. 2022, 9, 011411. [CrossRef]

16. Shi, B.; Tang, H.; Lagu, Z.; Li, J.; Xu, L.; Liu, S.; Yang, J.; Matahari, X.; Quhe, R.; Yang, J.; et al. Transistor peralihan fasa dan topologi berdasarkan reben nano Na3Bi monolayer. Skala nano 2021, 13, 15048–15057. [CrossRef]

17. Vandenberghe, WG; Fischetti, MV Transistor kesan medan penebat topologi dua dimensi tidak sempurna. Nat. Commun. 2017, 8, 14184. [CrossRef]

18. Molle, A.; Goldberger, J.; Houssa, M.; Xu, Y.; Zhang, SC; Akinwande, D. Helaian Xene dua dimensi bergelung. Nat. Mater. 2017, 16, 163–169. [CrossRef]

19. Qian, X.; Liu, J.; Fu, L.; Li, J. Kesan Hall spin kuantum dalam dichalcogenides logam peralihan dua dimensi. Sains 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 al. Peralihan fasa topologi ditala medan elektrik dalam Na3Bi ultranipis. Alam Semula Jadi 2018, 564, 390–394. [CrossRef]

21. Focassio, B.; Schleder, GR; Pezo, A.; Costa, M.; Fazzio, A. Peranti penebat topologi dwi dengan keteguhan gangguan. Fizik. Rev. B 2020, 102, 045414. [CrossRef]

22. Xu, Y.; Chen, YR; Wang, J.; Liu, JF; Ma, Z. Terowong kesan medan terkuantiti antara keadaan tepi topologi atau antara muka. Fizik. Rev. Lett. 2019, 123, 206801. [CrossRef] [PubMed]

23. Anak lelaki, YW; Cohen, ML; Louie, SG Nanoribbon grafena separuh logam. Alam 2006, 444, 347–349. [CrossRef]

24. Afzalian, A.; Pourtois, G. Atomos: Penyelesai pemodelan atomistik untuk pengangkutan dft pelesapan dalam hfs2 berskala ultra dan mosfet fosforus hitam. Dalam Prosiding Persidangan Antarabangsa 2019 mengenai Simulasi Proses dan Peranti Semikonduktor (SISPAD), Udine, Itali, 4–6 September 2019; ms 1–4.

25. Afzalian, A. Ab initio perspektif CMOS berskala ultra daripada asas bahan 2d kepada transistor dop secara dinamik. NPJ 2D Mater. Appl. 2021, 5, 5. [CrossRef]

For more information:1950477648nn@gmail.com