Elektronfonoonide hajumise, piiratud suuruse ja külgsuunalise elektrivälja mõju topoloogiliste isolaatorite transpordiomadustele: kvanttranspordi uuringu esimesed põhimõtted

Abstraktne:

Uurime, kasutades mittetasakaalulisi Greeni funktsiooni simulatsioone koos esimese põhimõtete tihedusfunktsionaalse teooriaga, serva-oleku transporti kahemõõtmelistes topoloogilistes isolaatorites. Uurime elektronide-fonoonide sidestuse mõju kandja transpordile läbi kahe laialt tuntud topoloogilise isolaatori kaitstud oleku, millel on erinevad mahuvahed, nimelt staneen ja vismuteen. Täheldame, et elektronide-fonoonide hajumine võib tugevalt mõjutada transporti väikese mahuvahega (nt staneen) topoloogilises isolaatoris, kuna puisteolekud laienevad mahuvaheks. Suurema mahuvahega vismuteenis täheldatakse aga oluliselt suuremat immuunsust elektronide-fonoonide hajumise suhtes. Väikese massivahe negatiivsete mõjude leevendamiseks uuritakse staneenlintide puhul piiratud suurusega mõjusid. Hulgivahe suureneb ülikitsaste staneenlintide puhul, kuid transporditulemused ei näidanud hajutava juhtumi paranemist, kuna laienenud puistevahede olekud ei ole piisavalt lokaliseeritud. Rakenduse uurimiseks kasutasime ka topoloogilisi isolaatorribasid väljatransistoride materjalina, mille külgmised väravad tekitavad külgmise elektrivälja. Meie tulemused näitavad, et külgmine elektriväli võib pakkuda veel üht võimalust servaseisundite manipuleerimiseks ja isegi staneeniribades tühimiku avamiseks, mille tulemuseks on ballistilise juhtumi puhul ION/IOFF 28. Need tulemused valgustavad võimalusi ja väljakutseid topoloogiliste isolaatorite väljatransistoride kujundamisel.

Topoloogilise isolaatori välja mõjude ja immuunsuse vahel puudub otsene seos. Topoloogilised isolaatorid on uut tüüpi kvantmaterjalid, millel on mõned ainulaadsed elektroonilised omadused, nagu pinnaseisundid ja kvant-Halli efekt jne. Neid omadusi kasutatakse laialdaselt elektroonikas ja spintroonikas. Immuunsus viitab keha võimele seista vastu väliste patogeenide sissetungile. Seos nende kahe vahel pole selge ja ükski seotud uuring ei näita, et nende vahel on seos. Sellest vaatenurgast peame pöörama tähelepanu oma immuunsuse parandamisele. Cistanche parandab oluliselt immuunsust, kuna Cistanche on rikas mitmesuguste antioksüdantsete ainete poolest, nagu C-vitamiin, vitamiinid, karotenoidid jne. Need koostisosad võivad eemaldada vabu radikaale ja vähendada oksüdatsiooni. Stress, parandage immuunsüsteemi vastupanuvõimet.

Klõpsake Cistanche'i kasulikkust tervisele

Märksõnad:

atomistlik modelleerimine; topoloogilised isolaatorid; kvanttransport; madalamõõtmeline materjal.

1. Sissejuhatus

Topoloogilised isolaatorid (TI) on ainulaadsete transpordiomadustega materjalide klass. Kahemõõtmelistel (2D) TI-del on spiraalsed servaolekud, mis on kaitstud elastse tagasihajumise eest [1, 2]. Keelatud tagasihajumine on seotud hulgielektroonilise struktuuriga ja aja-pöörde sümmeetriaga. Isegi puuduste (nt defektide) korral säilib servaseisundite kaitse [3,4].

Olulise sammuna tuleks katseliselt jälgida spiraalsete olekute kvantiseeritud juhtivust. See on olnud keeruline ja edu on piirdunud väga madalate temperatuuride või lühikese kaitsepikkusega [5, 6]. Seda on seostatud erinevate tagasihajumise mehhanismidega, nagu servade häire [7], kaitsmata madala energiatarbega servaseisundid [8], spontaanne aja-pöörde sümmeetria purunemine [9], laengulombid, mis püüavad kinni serva kandjad [10], laengulisandid [10] 11] ja fononi hajumist [12]. Eelkõige on enamikus varasemates töödes tähelepanuta jäetud elektronide-fonoonide hajumise mõju TI-de transpordiomadustele.

Kvantpiirang mõjutab elektroonilist rekvisiiti

on uuritud mõne 2D TI osapooli [13–15]. Lisaks on Kane-Mele Hamiltonian [15] abil uuritud piiratud suuruse mõju 2D kseneenide värava poolt indutseeritud faasiüleminekule. Kvantkinnitus võib suurendada nii mahuvahet kui ka tühiku avanemist metalliliste servade olekutes, mis on tingitud lindi kahele vastasservale vastavate olekute vahelisest hübridisatsioonist [16]. Kuid siksakiliste Xene-lintide ristumispunkt ja ristumisvastane punkt asuvad erinevates temporuumi asukohtades ja servade olekud jäävad nendes lintides lünkadeta, hoolimata piiratud servadevahelisest kattumisest [15]. Lisaks on oodata ülikitsa siksakilise kseni kriitilise elektrivälja vähenemist [15]. Nende omaduste paremaks mõistmiseks tuleb uurida ülikitsaste Xene lintide transpordiomadusi.

2D TI-de rakendamist väljatransistorites (TI-FET) on põhjalikult uuritud ja välja on pakutud mõned lülitusmehhanismid. Hajuvusmodulatsioonil põhinevaid TI-FET-e on pakutud ja uuritud Kane-Mele'i tiheda sidumise (TB) Hamiltoni [3, 17] abil. Sel juhul põhjustab Fermi taseme nihkumine kaitstud olekutest kaitsmata olekutesse hajumise efektide intensiivistumist, mille tulemuseks on väiksem vool. Ballistilises režiimis optimeeritud defektide tihedusega ebatäiusliku staneenlindi puhul on teatatud kahe suurusjärgu sisse- ja väljalülitusvoolu suhtest, kasutades tuberkuloosi ja mittetasakaalu Greeni funktsiooni (NEGF) formalismi [3].

Lisaks võib värava indutseeritud elektriväli põhjustada topoloogilise faasisiirde ja avada tühimiku metalliliste servade olekutes. Sellise ülemineku kriitilist elektrivälja on teoreetiliselt ja eksperimentaalselt teatatud mitme TI puhul. Näiteks on teatatud kriitilistest väljadest 1 V/nm staneeni [18], 1,42 V/nm 1T'-MoS2 [19] ja 1,1 V/nm Na3Bi [20] puhul, mis kõik on ebasoovitavalt suured. Lisaks, kuigi monokihi nendel väljadel toimub faasiüleminek, võib piisav tühimik avaneda ainult nanoriba (NR) veelgi suurema elektrivälja korral.

Varasemas töös kasutati atomistlikke simulatsioone, et uurida TI-FET-e, mis põhinesid tasandivälisel elektrivälja poolt indutseeritud faasisiire 1,28 nm laiustes Na3Bi lintides [16]. Autorid teatasid ON/OFF voolu suhteks 6/4, kui Vbias on 0.05 V/0,1 V, vastavalt. Simulatsioonid viidi läbi ballistilisel juhul ja kanali pikkusega 2, 7 nm. Lisaks oli TI-FET-i väljalülitamiseks vaja diferentsiaalpinget Vdiff (vastavalt ülemise ja alumise elektroodi Vtop ja Vbottom vahel) umbes 20 V. Teises Na3Bi paeladel põhinevas töös on elektrivälja kasutamine seotud sisemiste defektidega, et parandada seadme jõudlust häirete filtreerimise abil [21].

Veelgi enam, põiksuunaline elektriväli võib pakkuda teistsugust lähenemist põiki tunneltransistori kujundamiseks, kasutades ära sellise välja poolt moduleeritud servadevahelist tunneldamist [22]. Lisaks saab servakanalitega manipuleerimiseks kasutada servadele rakendatavat külgmist elektrivälja [23]. Võrreldes teiste lülitusmehhanismidega on TI-seadmetes vähem tähelepanu pööratud külgmiste väravate rakendamisele.

Siin kasutasime tihedusfunktsionaalsel teoorial (DFT) põhinevat NEGF-i, mida rakendati meie ATOmistic Modeling Solver'is (ATOMOS) [24, 25], et uurida elektron-fononi (e-ph) hajumise mõju TI-de serva oleku transpordile. Simulatsioonid hõlmavad laiu linte, raskeid elemente ja spin-orbiidi sidestust. Seetõttu kasutasime arvutuste arvutuskoormuse vähendamiseks Hamiltoni suuruse vähendamise meetodit, mida tuntakse režiimiruumi (MS) teisendusena [26–28]. ATOMOS-e abil uurisime piiratud suuruse mõju siksakiliste staneenlintide transpordiomadustele väikese massivahe TI-na ja uurisime väljatransistori kontseptsiooni, mis töötab külgmiste väravate poolt sisse viidud külgmisel elektriväljal.

2. osas võtame kokku meie simulatsioonides kasutatud arvutusmeetodid. Esitame ja arutame tulemusi punktis 3 ning lõpetame 4. osas.

2. Materjalid ja meetodid

DFT-l põhinevad esimeste põhimõtete arvutused viidi läbi OpenMX-i simulatsioonitööriista [29,30] abil. Ribastruktuuri arvutamiseks ja geomeetria lõdvendamiseks kasutati üldistatud gradiendi lähendust (GGA) ja Bi8.{5}}s3p2d2 ja Sn11.{10}}s3p2d2 pseudoatomorbitaalfunktsioonide komplekte. Kaasati spin-orbiidi sidestus. K-punkti võrgusilma suurus oli 12 × 12 × 1 servadeta (perioodiliselt lõpmatute) monokihtide puhul ja 14 × 1 × 1 servadega nanoribade puhul. Laengutiheduse määramiseks kasutati väljalülitusenergiat 200 Ry. Rakendati ühtlane väline elektriväli saehamba lainekujul. Arvati, et ligikaudu 15 Å suurune vaakum katkestas perioodilise pildi mitteperioodilistes suundades. Impulss (k)-lahutatud spin splitting saadi kasutades järeltöötluse koodi "kSpin" [30]. Kõik struktuurid olid täielikult lõdvestunud aatomijõu konvergentsi kriteeriumiga 10–3 eV / Å.

Hamiltoni täisseadme koostamiseks kasutati DFT-simulatsioonidest saadud Hamiltoni ja kattuva maatriksi elemente. DFT-põhised NEGF-i arvutused viidi läbi iseseisvalt, kasutades ATOMOS-e. Täielik simulatsiooniprotseduur on üksikasjalikult kirjeldatud [25, 31]. Simulatsioonide kinnitamiseks kasutati MS-meetodit [27]. Hajumisomaenergiaid ei arvutatud režiimiruumis vormiteguri meetodi abil, vaid otse reaalses ruumis, kasutades ülespoole teisendatud väiksemaid ja suuremaid Greeni funktsioone, millele järgnes hajumise omaenergiate allapoole teisendamine režiimiruumiks [32 ,33].

Elektron-fononi hajumise mõju uurimiseks kandetranspordile TI-des kasutasime isejärjekindlat Borni lähendust, mis põhines DFT-ga arvutatud deformatsioonipotentsiaalikonstantidel ja eeldab tasakaalufononeid [32,33]. On teatatud, et staneenis tuleb arvestada ainult akustilise fononi hajumisega, kuna (elastsete) optiliste fononite hajumise kiirus on oluliselt väiksem [34]. Lisaks akustilistele elastsetele fononitele võtsime siin täielikkuse huvides arvesse ka nõrka optilist fononi hajumise mehhanismi, millel on kõigis simulatsioonides konstantsed parameetrid (välja arvatud ballistilise transpordi simulatsioonid). Optilise deformatsiooni konstandiks määrati 4 eV/nm konstantse fononi energiaga 49 meV.

Akustilise deformatsiooni potentsiaali konstant eraldiseisva ühekihilise staneeni puhul, mille pinna funktsionaliseerimiseks on jood, on rist- ja pikisuunaliste akustiliste fononite puhul väidetavalt 27 eV [34]. Selles töös on meie eesmärk kvantifitseerida tagasihajumise vastase kaitse olemasolu või puudumine sõltuvalt TI materjali omadustest (nt massivahe) ja uurida, kuidas seda mõjutavad hajumise parameetrid. Selleks muutsime akustilise deformatsiooni potentsiaali 0-lt 80 eV-ni, st oluliselt väiksemaks ja suuremaks kui arvutatud eraldiseisev väärtus (27 eV). Siin ei võetud arvesse selle kvantifitseerimist, kui palju siin vaadeldavate materjalide hajumise parameetreid mõjutaks paisu oksiid või muud liidesed või defektid, ja see ei kuulu käesoleva artikli reguleerimisalasse.

Elektron-fononi hajumise, suletuse ja elektrivälja mõjude uurimiseks keskendusime kahele laialdaselt uuritud kseneeni TI-le, staneenile (mahuvahega {{0}},17 eV [17]) ja vismuteenile. (mahuvahega 0,5 eV [4]).

3. Tulemused

3.1. Staneeni ja vismuteeni siksakilised nanoribid

Siin võrdleme elektronide-fonoonide hajumise mõju kahe kseneeni (staneeni ja vismuteeni) transpordiomadustele, mis on tuntud topoloogilised isolaatorid, millel on erinevad mahuvahed. Serva oleku transpordi uurimiseks võetakse arvesse nende kahe materjali siksakilised nanoribad.

3.1.1. Režiim Ruumi alus

Seadme Hamiltoni koostamiseks kasutatakse režiimiruumi (MS) meetodit. Seda meetodit kasutades väheneb Hamiltoni suurus märkimisväärselt ja riba struktuur taasesitatakse täpselt huvipakkuvas energiaaknas. Joonis fig 1a illustreerib režiimiruumi riba struktuuri, mis on saadud 4 nm laiuse siksakilise staneenlindi jaoks. Sinised ja punased täpid tähistavad ribasid, mis on arvutatud vastavalt reaalruumi (RS) ja režiimiruumi Hamiltoniansiga. Varjutatud roheline piirkond tähistab huvipakkuvat energiaakent. See energiaaken sisaldab kaitstud serva olekuid ja ka mõnda kaitsmata massiriba. See energiaaken on meie simulatsioonide jaoks piisav, kuna staneeni jaoks kasutatav äravoolu eelpinge (VDD) on väike, et tagada transport väikeses mahuvahes. Kaitstud ribade spiraalne pöörlev tekstuur põhjustab pöörlemismomendi lukustuse, mis takistab lindis elastset tagasihajumist [35]. Selle 4 nm laiuse struktuuri puhul näib, et ribalaius on 0,34 eV. See on suurem kui ühekihiline massiribade vahe, kuna see on kinninemise mõju tõttu, mida käsitleme järgmises jaotises.

Joonisel fig 1b on kujutatud RS ja MS Hamiltoniansilt saadud 7 nm laiuse siksakilise vismuteenlindi riba struktuur. Kogusagedusriba vahe on ~0,55 eV. Kogus 7 nm on piisavalt lai, et mahuvahe väärtus läheneb monokihi omale. Nagu on näidatud joonisel 1b, katab valitud energiaaken ainult serva olekuid. Selle põhjuseks on asjaolu, et vismuteeni mahuvahe on suurem ja nii äravoolu kallutatuse kui ka Fermi taseme häälestamisel võime eeldada, et transport toimub ainult läbi servaolekute.

3.1.2. Elektron-fononi sidestamise mõjud

E-ph sidumise mõju uurimiseks kaalusime joonisel 2a kujutatud TI-FET seadet. Konstruktsioon koosneb TI-lindist (staneen või vismuteen), mis on allutatud ülemisele ja alumisele väravale. Väravad moduleerivad Fermi taset. Kui Fermi tase asub puistevahe sees, transpordivad kandurid läbi kaitstud servaseisundite. Kui Fermi tase on puistlasti vahest väljas, osalevad puistlastilaevad voolus, mille tulemuseks on hajutav transport. Kanali pikkus (Lch) on kõigi selle töö struktuuride jaoks 10 nm. Staneeni NR puhul on äravoolu eelpinge 50 mV. Äravoolu kalle on valitud väikeseks staneeni väikese massivahe tõttu.

Pärast seadme Hamiltoni konstrueerimist ja iseseisvate NEGF-i simulatsioonide teostamist ATOMOSega saadakse lokaalne olekutihedus (LDoS). LDoS ekstraheeritakse seadme keskelt. Ribad nihutatakse allapoole, kui paisupinge Vg suureneb. Vg=0.4 V juures on kogu Fermi aken (joonisel 2b varjutatud ala) kaetud kaitstud serva olekutega. Joonis 2b illustreerib vasaku serva aatomite (aatomid 1 kuni 5), keskmiste aatomite (aatomid 6 kuni 17) ja parema serva aatomite (aatomid 18 kuni 22) panust LDOS-i Vg=0 juures.4 V. Võib täheldada, et mahuvahe sees olevad madala energiatarbega olekud paiknevad lindi servades, samas kui pilust väljaspool olevad olekud, aga ka suure energiaga olekud mahuvahe sees on delokaliseeritud.

E-ph hajumise kaasamine simulatsiooni toob kaasa puisteseisundite tüüpilise laienemise mahuvahesse ja sellest tulenevalt Fermi aknasse [35]. Siin võetakse arvesse akustilist fononi hajumist ja võrreldakse erinevaid efektiivseid deformatsioonipotentsiaali konstante (DAC), et esindada erinevaid e-ph sidestustugevusi. Kui DAC suureneb, kaetakse Fermi aken täielikult DAC=6 eV laiendatud kaitsmata olekutega [35]. Seetõttu ei takistata tagasihajumist, kuna kaitstud olekuid ei saa eraldada. Selle tulemuseks on märgatav voolu halvenemine.

Teisest küljest on vismuteenil suurem mahuvahe. Sama struktuuri ja värava seadistusega simulatsioonid nagu joonisel 2a viidi läbi 7 nm laiuse vismuteeni siksakilise nanoribaga. Vismuteeni puhul arvestati suuremat allika äravoolu nihket 0,2 V. Värava tööfunktsioone reguleeriti nii, et saavutada mõlema kanalimaterjali puhul sama juhtivusriba nihe vs lame riba Vg=0 V juures. Vg=0.4 V juures on mõlemal juhul Fermi aken kaitstud servadega kaetud. Kuna vismuteenil on suurem mahuvahe, säilib kaitstud olekute servade lokalisatsioon vismuteenis isegi nii suure DAC-i puhul kui 40 eV [35]. Seega eeldatakse, et vismuteenil on parem immuunsus e-ph sidestuse suhtes. Staneenil ja vismuteenil põhinevate struktuuride ning WS2 monokihi (H-faasis) arvutatud voolud on näidatud joonisel 2c. Kuna deformatsioonipotentsiaal suureneb 0-lt 10 eV-le, täheldatakse staneeni ja WS2 monokihtide puhul olulist voolu halvenemist, samas kui transport bismuteenis on peaaegu muutumatu.

Kuna praeguse lagunemise (ja mitte servast servani tunneldamise) peamised põhjused on puisteseisundite laienemine ja staneeni väike mahuvahe, ei lahenda lindi laiuse suurendamine seda probleemi. Vastupidi, laiuse vähendamine võib kvantpiirangu tõttu suurendada tühimikku. See võib omakorda suurendada staneenlindi transpordikindlust e-ph hajumise suhtes ja seda uuritakse järgmises jaotises.

3.2. Ultra-kitsad paelad

Kolm peamist omadust seostati ülikitsaste Xene nanoribadega, kasutades Kane-Mele Hamiltoni [15]. Esiteks suurendab laiuse vähenemine mahuvahet. Meie joonisel 3a näidatud DFT-simulatsioonid näitavad mahuvahe suurenemist 0,21 eV-lt W=6 nm puhul 0,52 eV-le W=2.5 korral nm siksakilises staneenlindis. Teiseks, ristumispunkt (ääreseisundite Diraci punkt) ja ristumisvastane punkt (massiivse Diraci dispersiooni impulss) asuvad erinevates impulsiruumides. Mittetriviaalne faasiüleminek triviaalseks toimub siis, kui ristumispunkt liigub ristumisvastase punkti poole ja tühimik avaneb, kui need punktid eksisteerivad koos samas impulsiruumis olekute suure kattumisega. Ristmisvastase punkti läheduses oleva impulsiruumi olekutel on sama impulsiruumi juures lõplik servadevaheline kattuvus, mis avab tühimiku. Piiramisefektide kasutuselevõtmisel liigub ristumisvastane punkt aja tagasipöörde invariantse momendi (TRIM) korral ristumispunktile lähemale. See viib topoloogilise faasi ülemineku kriitilise elektrivälja vähenemiseni.

Kolmandaks võib värava poolt indutseeritud faasiüleminek toimuda ilma suuremahulise vahe sulgemiseta kvantsulgumise mõju tõttu. Veelgi enam, ülikitsas juhul ilmub tühimik enne, kui servaolekud jõuavad juhtivusorgudesse. Need kolm omadust muudavad ultrakitsad paelad potentsiaalseteks kandidaatideks topoloogilistes seadmetes kasutamiseks.

Eelmises osas näidati, et staneeni väike mahuvahe muudab selle kaitsmata hajumise eest, mis laiendab puisteseisundeid. See tõstatab küsimuse, kas staneeni massivahe suurendamine (näiteks kseneenide puhul) koos piiratud suurusega efektidega saab seda probleemi lahendada. Sellele küsimusele vastamiseks uurime ülikitsaste staneenlintide transpordiomadusi.

Joonisel 2a kujutatud struktuuri kanalimaterjalina kasutame 2,5 nm laiust staneeni siksak-paela. Paisupinge muutmise LDOS on kujutatud joonisel 3b. Keskmiste aatomite ja servaaatomite panus on näidatud eraldi. Võib täheldada, et kuigi mahuvahe on suurenenud, ei ole suurema energiaga olekud mahuvahes lokaliseeritud ja keskmised aatomid aitavad nendesse olekutesse kaasa (joonisel 3b varjutatud piirkonna olekud, mis katavad E { {5}}.05 eV kuni E=0,2 eV). Seega, kuigi koguhulga oleku laienemine ei kata kogu mahuvahet, võimaldavad halvasti lokaliseeritud olekud hajumist. Ainult väike 0,15 eV energiaaken on servades hästi lokaliseeritud ja selle akna laiust näib lindi laiuse varieeruvus peaaegu mitte mõjutavat. Selle tulemuseks on voolu halvenemine, mille hajumine on võrreldav 4 nm laiuse lindiga (joonis 3c), kuigi delokaliseeritud olekud on erinevates impulssides (joonis 3a). See viitab sellele, et ultrakitsaste TI-de puhul ei parane transpordiomadused vastavalt suuremale vahekaugusele. Värava juhtimist saaks siiski optimeerida peenemate lintidega tänu kriitilise välja vähendamisele ja üleminekule, ilma et oleks vaja hulgivahe sulgeda. Lisaks viidi läbi simulatsioon reaalruumi Hamiltoni abil, et veelgi kinnitada meie režiimiruumi simulatsioonide praeguse taseme kehtivust. Nagu on näidatud joonisel 3c, täheldati head kokkulepet.

Et uurida e-ph hajumise mõju spiraalsele serv-oleku transpordile, on joonisel 4 kujutatud spin-lahutusega aatomist aatomisse voolu. Tasub märkida, et VDD=0,05 V selles seadistuses . On näidatud, et ettepoole liikuvad pöörlevad üles/alla voolud paiknevad enamasti vastasservades (joonis 4a, b). Siiski toimub väiksem osa laengu ülekandmisest nii lindi keskel kui ka vastasservas. See näitab suuremahulise ja vastasserva aatomite panust suuremahulise tühimiku pöörlemis-üles/alla olekutesse. Joonis 4c näitab, et see panus suureneb Vg-ga ja transport toimub läbi rohkem delokaliseeritud olekute. Joonisel fig 4d on kujutatud tahapoole liikuvaid ülespööravaid kandjaid, mis asuvad ülespoole suunatud ettepoole liikuva kanali vastasservas. Nendest tulemustest saab järeldada pöörlemismomendi lukustumist. Kuna e-ph hajumine on kaasatud (joonis 4e, f), väheneb edasiliikuvate elektronide ülekanne lindi servas ja enamasti keskel, mis näitab voolu lagunemist.

Lisaks staneenile on palju tähelepanu äratanud Na3Bi mono- ja kahekihilised kihid. Katsed on näidanud, et Na3Bi monokihtide ribalaius on 360 meV, samuti suhteliselt väike kriitiline väli 1,1 V/nm [20]. Teoreetiliselt on uuritud ülilühikestel, ülikitsatel Na3Bi lintidel põhinevaid TI-FET-e [16]. TI-FET-is, mis tugineb lülitusmehhanismina pilu avamisele, peaks lisaks väikesele kriitilisele väljale pärast üleminekut avanev ribalaius olema piisavalt suur, et voolu tõhusalt takistada. Varasemad DFT-l põhinevad tööd on näidanud, et Na3Bi laiemate lintide puhul (üle 6 nm) on pärast üleminekut avanenud ribade vahe väike (väiksem kui 0,2 eV). Kuid õhematel Na3Bi paeladel on suuremad vahed (umbes 0, 4 eV), posttopoloogiline faasisiire. Seetõttu võib suurema üleminekujärgse tühimiku ärakasutamiseks olla kasulik kasutada õhemaid Na3Bi linte. Meie tulemused näitavad, et alla 4 nm laiuse korral põhjustavad sulgemisefektid Fermi taseme olekute kattumise tõttu tühimiku. Lisaks, kuigi mahuvahe suureneb laiuse vähenemisega (joonis 5b, c), on mahuvahe olekud halvasti lokaliseeritud, sarnaselt staneeniga (halli varjundiga piirkond joonisel 5c). Avanenud vahe ja keskmiste aatomite suurem panus hulgivahe sees olevatesse olekutesse seavad väljakutsed ülikitsa Na3Bi kasutamisele TI-FET-is. Kui aga kasutatakse laiemat Na3Bi linti, on tühimik väljalülitatud olekus (pärast üleminekut) vaid umbes 0,2 eV, mis tundub keeruline omada vähese lekkega TI-FET-i, mis põhineb elektrivälja poolt indutseeritud faasisiire Na3Bi-ga. .

3.3. Elektriväljast põhjustatud topoloogiline faasiüleminek kseneenides

Topoloogiline lülitus väravatega on üks mehhanismidest, mida pakutakse transpordi juhtimiseks TI-des. Topoloogiline ümberlülitumine võib toimuda risti asetseva tasandivälise elektriväljaga, mis sulgeb ja avab lahtise tühimiku. Teine viis servaoleku transpordi manipuleerimiseks on tasapinnalise põiksuunalise elektrivälja rakendamine. Siin uurime rakendatud külgvälja mõju staneeni ja vismuteeni nanoribade transpordi- ja elektroonilistele omadustele.

Joonis 6 illustreerib elektrivälja poolt indutseeritud muutusi staneeni ja vismuteeni ribadispersioonis. Joonisel 6a on näha, et tasapinnavälise välja (Ez) rakendamisel avaneb staneeni siksaklindi servaseisundites X-punktis tühimik, kuid Γ-punkti ümbritsevad kaitsmata olekud liiguvad ka pilusse üles. . Joonisel 6b näeme, et külgväli (Ey) avab tühimiku ka X-punktis, kasutades umbes 10× vähendatud välja. Ey=6 eV/nm puhul on vahe umbes 0,13 eV. Γ ümber olevad olekud jäävad aga muutumatuks, kuna need moodustuvad peamiselt keskmiste aatomite poolt. Vismuteenis nihutavad nii külgmised kui ka tasapinnalised väljad kaitstud ja kaitsmata olekuid ning sulgevad mahuvahe (joonis 6c, d). Kui tühimik on suletud, ei saa spin-polariseeritud olekuid enam isoleerida. Seetõttu on transport kaitsmata. Lisaks näib, et külgväli mõjutab energia hajumist drastilisemalt kui Ez bismuteenis. Sellest võib järeldada, et külgväli võib häälestada riba struktuuri teisiti kui tasapinnaväline väli ja mõne materjali puhul võib olla kasulikum kasutada külgvälja.

Külgvälja saab rakendada külgmiste väravate abil, mida uurime järgmisena siksakiliste staneenlintide abil (joonis 7a). Siin valitakse staneen, kuna külgvälja rakendamine avab tühimiku, mis peaks olema tuvastatav meie NEGF-i simulatsioonidest saadud LDoS-is.

Joonisel 7b,c on näidatud energialahutusega vooluspekter vastavalt Vleft=0 ja Vleft=4,4 V jaoks. Teise paisu pinge on Vright=0 V. Lisaks Lch=10 nm, VDD=0.05 V ja dopingu kontsentratsioon 3 × 1020 cm− 3 võetakse kasutusele Fermi taseme nihutamiseks. Vleft=4,4 V seadmes on umbes 0,1 eV tühimik (joonis 7c), mis kinnitab pilu avanemist välise külgmise elektrivälja poolt.

LDOS seadme keskplaadis on kujutatud joonisel 7d. On näidatud, et elektrivälja tõustes jäävad servakanali olekud ühte serva (vt joonis 7d, ülemine joonis) ja LDOS-is avaneb tühimik (Fermi aknas, mis on esile tõstetud joonisel 7d varjutatud alaga). Joonisel 7d on näidatud, et Fermi aknas enne pilu avanemist on LDOS-i lõplik väärtus, mis näitab metallilise serva olekute olemasolu Fermi aknas. Elektrivälja suurenedes kaob LDOS Fermi aknas (vt joonis 7d Vg=4 V juures). Selle tühimiku tulemusena vool väheneb ja toatemperatuuril võib täheldada ION/IOFF suhet ligikaudu 28 (joonis 7e).

Erinevate tööfunktsioonidega väravametallide kasutamisel indutseeritakse sisseehitatud elektriväli. See peaks vähendama tühimiku avamiseks vajalikku lävevälja. Joonis 7d näitab, et Vg=0 V juures on vasaku serva aatomite moodustatud LDoS-is juba tugev asümmeetria võrreldes Fermi akna parema serva aatomitega. See erinevus tuleneb erineva tööfunktsiooniga külgmistest metallväravatest indutseeritud elektriväljast. Joonis 7e näitab, et sisseehitatud elektrivälja olemasolu vähendab tõhusalt pilu avamiseks vajalikku lävipinget. Seega võib see olla kasulik lähenemine üliõhukeste TI-lintide puhul (suurte tühikutega TI-d), kuna faasiüleminekud toimuvad ilma suuremahuliste vahede sulgemiseta. Küll aga tekib küsimus, kas transpordiomadused on sisseehitatud elektriväljaga TI puhul soodsad. Ehk kas konkreetses sisseehitatud väljaga TI-s säilib spin-impulss lukustus ja kaitstud transport? See küsimus nõuab põhjalikumat uurimist.

4. Arutelu

Uurisime elektronide-fonoonide sidumise mõju kahe mittetriviaalsete topoloogiliste faaside ja erinevate ribalaiustega kseni transpordiomadustele. Täheldati, et staneenlindis (mahuvahe 0,17 eV) põhjustas e-ph hajumine voolu märkimisväärset halvenemist. Selle põhjuseks oli suure olekutihedusega hulgiolekute laienemine mahuvahesse. Selle tulemusena hävib kaitstud olekute servade lokalisatsioon isegi väikese deformatsioonipotentsiaali korral. Teisest küljest, kui uurime transporti läbi vismuteeni kaitstud olekute (mahuvahe 0,5 eV), täheldatakse oluliselt suuremat immuunsust e-ph hajumise suhtes.

Varasemas töös tehti ettepanek, et üliõhuke kseneeniriba saab kasu mahuvahe suurenemisest, kriitilise elektrivälja vähenemisest ja faasisiirdest ilma mahuvahe sulgumiseta [15]. Suurenenud mahuvahe võib parandada staneeni servade transporti. Seetõttu uurisime kvantkinnituse mõju staneeni siksakiliste paelte transpordiomadustele. Täheldati, et vaatamata mahuvahe olulisele suurenemisele (0,21 eV W=6 nm puhul 0,52 eV W=2,5 korral nm), on piisavalt lokaliseeritud vaid tühimikus olevate olekute väike energiaaken. Enamik hulgivahes olevaid olekuid on ümber paigutatud, kuid erineva hooga. Sarnased järeldused tehti ka Na3Bi kohta. Kui e-ph hajumine on kaasatud, saavad elektronid tagasi hajuda. Selle tulemuseks on elektron-fonoonide hajumise immuunsuse paranemine peaaegu üldse mitte.

Lõpuks uurisime külgmiste elektriväljadega allutatud TI-lintide elektroonilisi ja transpordiomadusi. Näidati, et külgväli võib riba struktuuri drastiliselt muuta, eriti kuna servaaatomid moodustavad kaitstud metallilised olekud. Ey pealekandmine avas tühimiku staneenlindi metallilistes olekutes ja sulges vismuteeni suurema osa. Seda pilu modulatsiooni kasutades on staneeni TI-FET kanali pikkusega 10 nm toatemperatuuril ION/IOFF suhe 28. Lünga avamiseks vajalik lävipinge näitab paranemist võrreldes varem teatatud TI-FET-idega. Sisseehitatud elektrivälja kasutamine võib lävipinget veelgi vähendada. Kuid sisseehitatud välja mõju TI transpordiomadustele nõuab sügavamat uurimist.

Autori kaastööd:

Kontseptualiseerimine, EA; metoodika, AA ja EA; andmete kureerimine, EA ja AA; uurimine, EA, AA ja MH; valideerimine, EA, AA ja MH; ATOMOS koodi arendus, sealhulgas režiimiruum, AA; visualiseerimine, EA; kirjutamine – algse eelnõu ettevalmistamine, EA; kirjutamine – retsenseerimine ja toimetamine, AA ja MH Kõik autorid on käsikirja avaldatud versiooni läbi lugenud ja sellega nõustunud.

Rahastamine:

Osa selles töös kasutatud arvutusressurssidest ja -teenustest pakkus VSC (Flandria superarvutikeskus), mida rahastasid Research Foundation–Flanders (FWO) ja Flaami valitsus.

Institutsioonilise ülevaatenõukogu avaldus:

Ei kohaldata.

Teadliku nõusoleku avaldus:

Ei kohaldata.

Andmete kättesaadavuse avaldus:

Selles uuringus esitatud andmed sisalduvad artiklis ja on kättesaadavad vastava autori põhjendatud nõudmisel.

Huvide konfliktid:

Autorid ei kinnita huvide konflikti.

Viited

1. Hasan, MZ; Kane, CL Kollokvium: Topoloogilised isolaatorid. Rev. Mod. Phys. 2010, 82, 3045. [CrossRef]

2. Bansil, A.; Lin, H.; Das, T. Kollokvium: Topoloogilise riba teooria. Rev. Mod. Phys. 2016, 88, 021004. [CrossRef]

3. Tiwari, S.; Van de Put, ML; Sorée, B.; Vandenberghe, WG Kandja transport kahemõõtmelistes topoloogilistes isolaatori nanoribades vabade defektide olemasolul. 2D materjal. 2019, 6, 025011. [CrossRef]

4. Pezo, A.; Focassio, B.; Schleder, GR; Costa, M.; Lewenkopf, C.; Fazzio, A. Vabade töökohtade häirete mõju realistlike topoloogiliste isolaatori nanoribade elektroonilistele transpordiomadustele: vismuteeni juhtum. 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 Halli isolaatori olek HgTe kvantkaevudes. Teadus 2007, 318, 766–770. [CrossRef] [PubMed]

6. Wu, S.; Fatemi, V.; Gibson, QD; Watanabe, K.; Taniguchi, T.; Cava, RJ; Jarillo-Herrero, P. Kvantspinni Halli efekti vaatlemine kuni 100 kelvini ühekihilises kristallis. Teadus 2018, 359, 76–79. [CrossRef]

7. Lima, LR; Lewenkopf, C. Topoloogilise kaitse lagunemine mittemagnetilise servahäire tõttu kahemõõtmelistes materjalides kvantspinni Halli faasis. Phys. Rev. B 2022, 106, 245408. [CrossRef]

8. Nguyen, NM; Cuono, G.; islam, R.; Autieri, C.; Hyart, T.; Brzezicki, W. Kaitsmata servarežiimid kvant-spin-Halli isolaatorikandidaatmaterjalides. arXiv 2022, arXiv:2209.06912. [CrossRef]

9. Paul, T.; Becerra, VF; Hyart, T. Kvantspinni Halli efekti ja spontaanse aja-pöördsümmeetria katkemise koosmõju elektron-augu kaksikkihtides I: transpordiomadused. arXiv 2022, arXiv:2205.12790. [CrossRef]

10. Väyrynen, JI; Goldstein, M.; Gefen, Y.; Glazman, LI Pooljuhtide heterostruktuuris moodustunud spiraalsete servade takistus. Phys. Rev. B 2014, 90, 115309. [CrossRef]

11. Dietl, T. Laengulisandid kontrollivad kvantpöörlemist Halli materjale. arXiv 2022, arXiv:2206.01613.

12. Vannucci, L.; Olsen, T.; Thygesen, KS Kvantspinni juhtivus Halli serva olekud esimestest põhimõtetest: magnetiliste lisandite ja servadevahelise hajumise kriitiline roll. Phys. Rev. B 2020, 101, 155404. [CrossRef]

13. Ezawa, M.; Nagaosa, N. Topoloogiliselt kaitstud servaseisundite interferents silikeeni nanoribades. Phys. Rev. B 2013, 88, 121401. [CrossRef]

14. Das, B.; Saada.; Mahapatra, S. Häälestatavad kvantspinni Halli olekud piiratud 1T-siirdemetallide dikalkogeniidides. Sci. Vabariik 2020, 10, 6670. [CrossRef]

15. Nadeem, M.; Zhang, C.; Culcer, D.; Hamilton, AR; Fuhrer, MS; Wang, X. Topoloogilise ümberlülituse optimeerimine piiratud 2D-Xene nanoribbones piiratud suurusega efektide kaudu. Rakendus Phys. Rev. 2022, 9, 011411. [CrossRef]

16. Shi, B.; Tang, H.; Laul, Z.; Li, J.; Xu, L.; Liu, S.; Yang, J.; Päike, X.; Quhe, R.; Yang, J.; et al. Ühekihilistel Na3Bi nanoribadel põhinevad faasisiire ja topoloogilised transistorid. Nanoskaala 2021, 13, 15048–15057. [CrossRef]

17. Vandenberghe, töörühm; Fischetti, MV ebatäiuslikud kahemõõtmelised topoloogilised isolaatorid väljatransistorid. Nat. Commun. 2017, 8, 14184. [CrossRef]

18. Molle, A.; Goldberger, J.; Houssa, M.; Xu, Y.; Zhang, SC; Akinwande, D. Pandlaga kahemõõtmelised Xene lehed. Nat. Mater. 2017, 16, 163–169. [CrossRef]

19. Qian, X.; Liu, J.; Fu, L.; Li, J. Quantum spin Halli efekt kahemõõtmelistes siirdemetallide dikalkogeniidides. Teadus 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. Elektriväljaga häälestatud topoloogiline faasiüleminek üliõhukeses Na3Bi-s. Loodus 2018, 564, 390–394. [CrossRef]

21. Focassio, B.; Schleder, GR; Pezo, A.; Costa, M.; Fazzio, A. Kahe topoloogilise isolaatoriga seade, millel on häirekindlus. Phys. Rev. B 2020, 102, 045414. [CrossRef]

22. Xu, Y.; Chen, YR; Wang, J.; Liu, JF; Ma, Z. Kvantiseeritud väljaefektiga tunneldamine topoloogilise serva või liidese olekute vahel. Phys. Rev. Lett. 2019, 123, 206801. [CrossRef] [PubMed]

23. poeg, YW; Cohen, ML; Louie, SG Poolmetallist grafeeni nanoribad. Loodus 2006, 444, 347–349. [CrossRef]

24. Afzalian, A.; Pourtois, G. Atomos: Atomistliku modelleerimise lahendaja dissipatiivse dft-transpordi jaoks ultra-skaalatud hfs2 ja musta fosfori mosfetites. In Proceedings of the 2019 International Conference on Simulation of Semiconductor Processes and Devices (SISPAD), Udine, Itaalia, 4.–6. september 2019; lk 1–4.

25. Afzalian, A. Ultra-skaalatud CMOS-i algusest peale 2d materjali põhialustest dünaamiliselt legeeritud transistorideni. NPJ 2D Mater. Rakendus 2021, 5, 5. [CrossRef]

For more information:1950477648nn@gmail.com