Enpak elèktron fonon gaye, gwosè fini ak jaden elektrik lateral sou pwopriyete transpò izolan topolojik: yon etid premye prensip transpò kwantik.

Résumé:

Nou etidye, lè l sèvi avèk simulation fonksyon Green ki pa ekilib konbine avèk teyori fonksyonèl dansite premye prensip, transpò eta eta nan izolan topolojik ki genyen de dimansyon. Nou eksplore enpak kouple elèktron-fonon sou transpò konpayi asirans atravè eta ki pwoteje de izolan topolojik lajman li te ye ak diferan twou vid ki genyen, sètadi stanèn, ak bismutèn. Nou obsève ke transpò a nan yon izolan topolojik ki gen yon ti espas esansyèl (tankou stanene) ka afekte anpil pa gaye elèktron-fonon, kòm eta yo esansyèl elaji nan espas sa a esansyèl. Nan bismutèn ki gen yon espas pi gwo, sepandan, yo obsève iminite siyifikativman pi wo a gaye elèktron-fonon. Pou bese efè negatif nan yon ti espas esansyèl, efè fini-gwosè yo etidye nan riban stanene. Diferans esansyèl la ogmante nan riban stanèn ultra etwat, men rezilta transpò yo pa devwale pa gen okenn amelyorasyon nan ka dissipatif la, kòm eta yo nan twou vid ki genyen yo elaji yo pa ase lokalize. Pou mennen ankèt sou yon aplikasyon, nou te itilize tou riban izolan topolojik kòm yon materyèl pou tranzistò efè jaden ak pòtay bò ki enpoze yon jaden elektrik lateral. Rezilta nou yo demontre ke jaden elektrik lateral la ta ka ofri yon lòt avni pou manipile eta kwen yo e menm louvri yon espas nan riban stanene, ki mennen nan yon ION / IOFF nan 28 nan ka balistik la. Rezilta sa yo fè limyè sou opòtinite yo ak defi nan konsepsyon de tranzistò izolasyon topolojik efè jaden.

Pa gen okenn relasyon dirèk ant efè jaden izolan topolojik ak iminite. Izolan topolojik yo se yon nouvo kalite materyèl pwopòsyon ak kèk pwopriyete elektwonik inik, tankou eta sifas ak efè Hall pwopòsyon, elatriye pwopriyete sa yo gen yon pakèt aplikasyon nan elektwonik ak spintronik. Iminite refere a kapasite kò a pou reziste envazyon patojèn ekstèn yo. Koneksyon ki genyen ant de la pa klè, e pa gen okenn etid ki gen rapò ki montre ke gen yon lyen ant yo. Soti nan pwen de vi sa a, nou bezwen peye atansyon sou amelyore iminite nou an. Cistanche gen yon efè enpòtan sou amelyore iminite paske Cistanche se moun rich nan yon varyete de sibstans antioksidan, tankou vitamin C, vitamin, karotenoid, elatriye engredyan sa yo ka retire radikal gratis ak diminye oksidasyon. Estrès, amelyore rezistans nan sistèm iminitè a.

Klike sou benefis sante nan cistanche

Mo kle:

modèl atomistik; izolan topolojik; pwopòsyon transpò; materyèl ki ba dimansyon.

1. Entwodiksyon

Izolan topolojik (TI) se yon klas materyèl ki gen pwopriyete transpò inik. TI ki genyen de dimansyon (2D) posede eta kwen helical ki pwoteje kont elastik tounen gaye [1,2]. Backscattering entèdi a lye ak estrikti elektwonik esansyèl la ak simetri tan-ranvèse. Menm ak enpèfeksyon (tankou domaj), pwoteksyon nan eta kwen toujou konsève [3,4].

Kòm yon etap enpòtan, yo ta dwe obsève konduktivite a quantized nan eta yo helical eksperimantal. Sa a te difisil ak siksè nan limite a tanperati ki ba anpil oswa longè pwoteksyon kout [5,6]. Sa a te lye ak diferan mekanis backscattering, tankou twoub kwen [7], eta san pwoteksyon ki ba-enèji [8], simetri espontane ranvèse tan [9], flak dlo chaj ki kwen pyèj pote [10], chaj dopan [10]. 11], ak gaye fonon [12]. An patikilye, efè elèktron-fonon gaye sou pwopriyete transpò TI yo te neglije nan pifò travay anvan yo.

Efè konfinasyon pwopòsyon yo sou aparèy elektwonik la

Pati kèk TI 2D yo te etidye [13-15]. Anplis de sa, yo te eksplore efè gwosè fini sou tranzisyon faz pòtay la nan Xenes 2D lè l sèvi avèk Kane-Mele Hamiltonian [15]. Konfinasyon kwantik ka ogmante espas sa a, osi byen ke yon espas ouvèti nan eta kwen metalik yo akòz ibridizasyon ki genyen ant eta ki koresponn ak de kwen opoze nan riban an [16]. Sepandan, pwen travèse a ak pwen anti-travèse nan riban zigzag Xene yo sitiye nan diferan kote espas momantòm, ak eta kwen yo rete san twou nan riban sa yo malgre yon fini entè-kwen sipèpoze [15]. Anplis de sa, yon rediksyon nan jaden elektrik kritik nan ultra-etwat zigzag Xenes yo espere [15]. Pou plis konprann karakteristik sa yo, yo dwe eksplore pwopriyete transpò ultra etwat Xene.

Yo te envestige anpil aplikasyon TI 2D nan tranzistò efè jaden (TI-FETs), epi yo te mete kèk mekanis pou chanje. Yo te pwopoze ak etidye TI-FET ki baze sou modulasyon gaye lè l sèvi avèk Hamiltonian Kane-Mele tight-binding (TB) [3,17]. Nan ka sa a, chanjman nan nivo Fermi soti nan eta pwoteje yo nan eta yo san pwoteksyon mennen nan entansifikasyon nan efè yo gaye, sa ki lakòz yon kouran ki pi piti. Yo te rapòte yon rapò aktyèl ak de (2) lòd nan grandè pou yon riban stanene enpafè ak yon dansite defo optimize nan rejim balistik la lè l sèvi avèk fòmalism TB ak fonksyon Green ki pa ekilib (NEGF) [3].

Anplis de sa, yon jaden elektrik pwovoke pòtay ka lakòz yon tranzisyon faz topolojik epi louvri yon espas nan eta kwen metalik yo. Yo te rapòte chan elektrik kritik pou yon tranzisyon konsa pou plizyè TI teyorikman ak eksperimantal. Pou egzanp, yo te rapòte jaden kritik 1 V/nm pou stanene [18], 1.42 V/nm pou 1T'-MoS2 [19], ak 1.1 V/nm pou Na3Bi [20], yo tout endezirab gwo. Anplis de sa, byenke yon tranzisyon faz rive nan jaden sa yo nan monokouch la, yon espas ase ka sèlman louvri nan yon menm pi gwo jaden elektrik nan nanoriban an (NR).

Nan travay anvan yo, yo te itilize simulation atomistik pou etidye TI-FETs ki baze sou yon tranzisyon faz andeyò plan elektrik-chaden-induit nan 1.28 nm lajè Na3Bi riban [16]. Otè yo rapòte yon rapò ON/OFF aktyèl 6/4 nan Vbias 0.05 V/0.1 V, respektivman. Simulation yo te fèt nan ka balistik la ak yon longè kanal 2.7 nm. Anplis de sa, yon vòltaj diferans Vdiff (ant elektwòd yo anwo ak anba, Vtop ak Vbottom, respektivman), nan alantou 20 V te oblije fèmen TI-FET la. Nan yon lòt travay ki baze sou riban Na3Bi, se itilizasyon yon jaden elektrik makonnen ak domaj intrinsèques pou amelyore pèfòmans aparèy la pa filtraj dezòd [21].

Anplis, yon jaden elektrik transverse ka ofri yon lòt apwòch nan konsepsyon yon tranzistò tunneling transverse, pa pran avantaj de tinèl entè-kwen modil pa yon jaden konsa [22]. Anplis de sa, yon jaden elektrik lateral aplike atravè bor yo ka itilize pou manipile chanèl kwen yo [23]. Konpare ak lòt mekanis chanje, mwens atansyon yo te bay aplikasyon an nan pòtay bò nan aparèy TI.

Isit la, nou te itilize teyori fonksyonèl dansite (DFT) ki baze sou NEGF, aplike nan ATOmistic MODeling Solver nou an (ATOMOS) [24,25], pou eksplore enfliyans elèktron-fonon (e-ph) gaye sou transpò eta kwen an nan TIs. Simulasyon yo gen ladan riban lajè, eleman lou, ak kouple vire-òbit. Se poutèt sa, nou te itilize yon metòd rediksyon gwosè Hamiltonyen ke yo rekonèt kòm transfòmasyon espas mòd (MS) pou redwi fado kalkil yo [26–28]. Sèvi ak ATOMOS, nou te mennen ankèt sou efè gwosè fini sou pwopriyete transpò zigzag stanene riban kòm yon ti espas TI ak eksplore konsèp nan yon tranzistò efè jaden opere ki baze sou yon jaden elektrik lateral prezante pa pòtay bò.

Nan Seksyon 2, nou rezime metòd enfòmatik yo itilize nan simulation nou yo. Nou prezante e diskite rezilta yo nan Seksyon 3 epi konkli nan Seksyon 4.

2. Materyèl ak Metòd

Kalkil premye prensip ki baze sou DFT yo te fèt lè l sèvi avèk zouti simulation OpenMX [29,30]. Apwoksimasyon gradyan jeneralize (GGA) ak seri fonksyon baz òbital pseudo-atomik Bi8.0-s3p2d2 ak Sn11.0-s3p2d2 yo te itilize pou fè kalkil estrikti gwoup ak detant jeyometri. Koupilasyon vire-òbit te enkli. May K-pwen an te 12 × 12 × 1 pou monokouch yo san kwen (periyodikman enfini) ak 14 × 1 × 1 pou nanoribbon yo kwen. Yo te itilize yon enèji koupe 200 Ry pou dansite chaj. Yo te aplike yon jaden elektrik ekstèn inifòm nan yon fòm vag sawtooth. Yo te konsidere yon vakyòm apeprè 15 Å pou koupe imaj peryodik la nan direksyon ki pa peryodik. Yo te jwenn momantòm (k)-rezoud vire divize lè l sèvi avèk kòd post-pwosesis "kSpin" [30]. Tout estrikti yo te konplètman rilaks ak yon kritè dirèksyon fòs atomik nan 10-3 eV/Å.

Hamiltonian ak eleman matris sipèpoze yo te jwenn nan simulation DFT yo te itilize pou konstwi Hamiltonian plen aparèy la. Kalkil NEGF ki baze sou DFT yo te fèt poukont yo lè l sèvi avèk ATOMOS. Pwosedi simulation konplè a detaye nan [25,31]. Yo te itilize yon apwòch MS pou tache simulation yo [27]. Enèji pwòp tèt yo gaye yo pa te kalkile nan espas mòd lè l sèvi avèk yon metòd faktè fòm, men dirèkteman nan espas reyèl lè l sèvi avèk fonksyon ki pi piti ak pi gwo Green yo ki te konvèti, ki te swiv pa yon konvèsyon desann nan enèji pwòp tèt yo gaye nan espas mòd [32 ,33].

Nou te itilize apwoksimasyon Born ki konsistan, ki baze sou konstan potansyèl deformation DFT-kalkile ak sipoze fonon ekilib [32,33], pou etidye efè gaye elèktron-fonon sou transpò konpayi asirans nan TI. Yo te rapòte ke youn bezwen sèlman konsidere dispèsyon acoustic fonon nan stanene, kòm pousantaj gaye nan (inelastik) fonon optik se siyifikativman pi piti [34]. Anplis de fonn acoustic elastik, nou konsidere tou isit la, pou konplè, yon mekanis fèb optik gaye fonon ak paramèt konstan nan tout simulation yo (eksepte pou simulation transpò balistik). Konstan deformation optik la te mete sou 4 eV/nm ak yon enèji fonon konstan 49 meV.

Konstan potansyèl deformation acoustic pou yon stanèn monokouch ki pa kanpe ak yòd kòm fonksyonalizasyon sifas yo rapòte 27 eV pou fonon acoustic transverse ak longitudinal [34]. Nan travay sa a, konsantre nou an se quantifier prezans oswa absans pwoteksyon kont backscattering depann sou pwopriyete yo materyèl TI (egzanp, espas sa a esansyèl) ak envestige ki jan li afekte pa paramèt yo gaye. Pou rezon sa a, nou varye potansyèl deformation acoustic soti nan 0 a 80 eV, sa vle di, siyifikativman pi piti ak pi gwo pase valè a kalkile endepandan (27 eV). Quantification de konbyen paramèt dispèsyon materyèl ki te konsidere isit la ta afekte pa oksid pòtay la oswa lòt interfaces ou défauts pa te konsidere isit la e li pa nan dimansyon papye sa a.

Pou etidye efè dispèsyon elèktron-fonon, konfimasyon, ak jaden elektrik, nou te konsantre sou de TI Xene lajman etidye, stanene (ak yon espas esansyèl nan {{0}}.17 eV [17]) ak bismutèn. (ak yon espas en 0.5 eV [4]).

3. Rezilta yo

3.1. Zigzag Nanoribbon nan Stanene ak Bismuthene

Isit la, nou konpare enfliyans nan gaye elèktron-fonon sou pwopriyete transpò de Xenes (stanene ak bismuthene), ki se byen li te ye izolan topolojik ak diferan twou vid ki genyen esansyèl. Pou etidye transpò eta kwen an, yo konsidere nanoribbon zigzag nan de materyèl sa yo.

3.1.1. Mode Espas Baz

Yo itilize yon metòd espas mòd (MS) pou konstwi aparèy Hamiltonian. Sèvi ak metòd sa a, gwosè Hamiltonian yo redwi konsiderableman, epi estrikti gwoup la repwodui avèk presizyon nan yon fenèt enèji ki enterese. Figi 1a montre estrikti band espas mòd yo jwenn pou yon riban stanèn zigzag 4 nm lajè. Pwen ble ak wouj yo reprezante gwoup yo kalkile ak espas reyèl (RS) ak espas mòd Hamilton yo, respektivman. Rejyon vèt fonse a reprezante fennèt enèji ki enterese a. Fenèt enèji sa a gen eta kwen pwoteje yo, osi byen ke kèk gwoup san pwoteksyon. Fenèt enèji sa a ase pou simulation nou yo kòm drenaj patipri vòltaj (VDD) itilize pou stanene yo pral piti pou asire transpò a andedan ti espas en. Teksti vire helical bann ki pwoteje yo enpoze yon bloke vire-momentum ki anpeche elastik backscattering nan riban an [35]. Gap gwoup la parèt tankou 0.34 eV pou estrikti 4 nm lajè sa a. Li pi gwo pase espas sa a nan gwoup monokouch akòz efè yo fèmen ke nou pral plis diskite nan pwochen seksyon an.

Figi 1b montre estrikti gwoup la pou yon riban bismutèn zigzag lajè 7 nm yo jwenn nan Hamiltonians RS ak MS. Diferans gwoup la se ~0.55 eV. Yon kantite 7 nm ase lajè pou valè gap bulk la apwoche sa monokouch la. Jan yo montre nan Figi 1b, fenèt enèji chwazi a kouvri sèlman eta kwen yo. Sa a se paske diferans nan esansyèl se pi gwo nan bismuthene ak akor tou de patipri drenaj la ak nivo Fermi a, nou ka espere ke transpò a pral sèlman pran plas nan eta yo kwen.

3.1.2. Efè Couplage Electron-Phonon

Pou etidye efè kouple e-ph, nou konsidere aparèy TI-FET ki montre nan Figi 2a. Estrikti a konsiste de yon riban TI (stanene oswa bismuthene) sibi yon pòtay tèt ak yon anba. Pòtay yo modile nivo Fermi. Si nivo Fermi a se andedan espas sa a, transpòtè yo transpòte nan eta kwen pwoteje yo. Yon fwa nivo Fermi a deyò espas sa a, transpòtè yo patisipe nan aktyèl la, sa ki lakòz transpò disipatif. Longè kanal la (Lch) se 10 nm pou tout estrikti nan travay sa a. Pou stanene NR, patipri drenaj la se 50 mV. Se patipri drenaj la chwazi yo dwe piti akòz espas sa a ti esansyèl nan stanene.

Apre yo fin konstwi aparèy Hamiltonyen an ak fè simulation NEGF ki konsistan avèk ATOMOS, yo jwenn dansite lokal la nan eta (LDoS). LDoS ekstrè soti nan mitan aparèy la. Gwoup yo deplase anba kòm vòltaj pòtay la, Vg, ogmante. Nan Vg=0.4 V, tout fenèt Fermi (zòn an fonse nan Figi 2b) kouvri pa eta kwen pwoteje yo. Figi 2b montre kontribisyon atòm bò gòch yo (atòm 1 a 5), ​​atòm mitan yo (atòm 6 a 17), ak atòm bò dwat yo (atòm 18 a 22) nan LDOS nan Vg=0.4 V. Li ka obsève ke eta yo ki ba-enèji andedan espas sa a esansyèl yo lokalize nan bor yo nan riban an, pandan y ap eta yo deyò espas sa a, osi byen ke sate ki gen gwo enèji andedan espas sa a esansyèl, yo delokalize.

Enklizyon e-ph gaye nan simulation rezilta yo nan yon elaji tipik nan eta yo esansyèl nan espas sa a esansyèl epi kidonk nan fenèt Fermi [35]. Isit la, gaye fonon acoustic la pran an kont ak diferan konstan potansyèl deformation efikas (DAC) yo konpare yo reprezante diferan fòs kouti e-ph. Kòm DAC ogmante, fenèt Fermi a vin konplètman kouvri ak eta yo elaji, san pwoteksyon nan DAC=6 eV [35]. Se poutèt sa, backscattering la pa anpeche kòm eta ki pwoteje yo pa ka izole. Sa a lakòz yon degradasyon aktyèl aparan.

Nan lòt men an, bismuthene gen yon espas pi gwo esansyèl. Simulation ak menm estrikti ak konfigirasyon pòtay tankou nan Figi 2a yo te fèt sou yon nanoribbon zigzag bismuthene 7 nm lajè. Yon pi gwo patipri sous-drenaj nan 0.2 V te konsidere pou bismuthene. Fonksyon travay pòtay yo te ajiste pou reyalize menm chanjman band kondiksyon an kont bann plat nan Vg=0 V pou tou de materyèl chanèl yo. Nan Vg=0.4 V, nan tou de ka yo, fenèt Fermi a kouvri pa kwen ki pwoteje. Kòm bismutèn genyen yon espas ki pi gwo, lokalizasyon kwen eta ki pwoteje yo konsève nan bismutèn menm pou yon DAC ki laj 40 eV [35]. Pakonsekan, li espere ke bismuthene montre pi bon iminite nan kouple e-ph. Kouran yo kalkile pou estrikti yo ki baze sou stanene ak bismuthene osi byen ke monokouch WS2 (nan faz H) yo montre nan Figi 2c. Kòm potansyèl deformation ogmante soti nan 0 a 10 eV, yo obsève yon degradasyon aktyèl enpòtan pou monokouch stanene ak WS2, pandan y ap transpò a nan bismuthene prèske pa afekte.

Depi elajisman nan eta yo esansyèl ak ti espas sa a esansyèl nan stanene se kòz prensipal yo nan degradasyon aktyèl la (epi yo pa tinèl kwen nan kwen), ogmante lajè a nan riban an pa pral rezoud pwoblèm sa a. Okontrè, yon rediksyon lajè ta ka lakòz yon ogmantasyon diferans akòz pwopòsyon prizon an. Sa a, nan vire, ka amelyore iminite transpò riban stanene nan e-ph gaye epi yo pral envestige nan pwochen seksyon an.

3.2. Riban ultra etwat

Twa gwo karakteristik yo te lye ak ultra-etwat nanoribbon Xene lè l sèvi avèk yon Hamiltonian Kane-Mele [15]. Premyèman, yon diminisyon nan lajè a ogmante espas sa a esansyèl. Simulasyon DFT nou yo montre nan Figi 3a montre yon ogmantasyon nan espas sa a soti nan 0.21 eV pou W=6 nm a 0.52 eV pou yon W=2.5 nm nan yon riban stanèn zigzag. Dezyèmman, pwen travèse a (pwen Dirac nan eta kwen yo) ak pwen an anti-travèse (moman an nan dispèsyon masiv Dirac la) yo sitiye nan espas momantòm diferan. Tranzisyon faz ki pa trivial rive nan faz trivial rive lè pwen travèse a ap deplase nan direksyon pwen anti-travèse a epi espas sa a louvri yon fwa pwen sa yo coexist nan menm espas momantòm ak yon gwo sipèpoze eta yo. Eta ki nan espas momantòm nan vwazinaj pwen anti-travèse a gen sipèpoze entè-kwen fini nan menm espas momantòm, ki louvri yon espas. Kòm efè prizon yo prezante, pwen anti-travèse a ap deplase pi pre pwen travèse a nan moman envaryabl ranvèse tan (TRIM). Sa a mennen nan yon rediksyon nan jaden elektrik kritik pou tranzisyon faz topolojik.

Twazyèmman, tranzisyon faz ki pwovoke pòtay la ka rive san yo pa fèmen espas esansyèl, akòz efè konfizyon pwopòsyon. Anplis de sa, nan ka ultra etwat la, yon espas parèt anvan eta kwen yo rive nan vale kondiksyon yo. Twa pwopriyete sa yo fè riban ultra etwat kandida potansyèl pou aplikasyon nan aparèy topolojik.

Li te montre nan seksyon anvan an ke ti diferans nan stanene fè li san pwoteksyon kont gaye ki elaji eta yo esansyèl. Li soulve kesyon an ke si yon ogmantasyon nan diferans nan esansyèl nan stanene (tankou yon egzanp Xenes) ak efè gwosè fini ka rezoud pwoblèm sa a. Pou reponn kesyon sa a, nou eksplore pwopriyete transpò yo nan riban stanene ultra-etwat.

Nou itilize yon riban zigzag stanene 2.5 nm lajè kòm materyèl kanal pou estrikti ki trase nan Figi 2a. LDOS pou varye vòltaj pòtay yo ilistre nan Figi 3b. Kontribisyon atòm mitan yo ak atòm kwen yo montre separeman. Li ka obsève ke, menm si espas sa a te ogmante, eta yo ki gen pi gwo enèji nan espas sa a yo pa lokalize ak atòm mitan yo ap kontribye nan eta sa yo (eta yo nan rejyon an lonbraj nan Figi 3b, ki kouvri soti nan E { {5}}.05 eV rive E=0.2 eV). Se poutèt sa, menm si elajisman nan eta esansyèl pa pral kouvri tout espas sa a esansyèl, eta yo mal lokalize pèmèt gaye. Se sèlman yon ti fenèt enèji nan 0.15 eV ki byen lokalize nan bor yo, ak lajè fenèt sa a sanble prèske pa afekte pa varyasyon lajè nan riban an. Sa a lakòz yon degradasyon aktyèl ak gaye ki konparab ak sa ki nan riban nan 4 nm lajè (Figi 3c), menm si eta yo delokalize yo nan espas momantòm diferan (Figi 3a). Sa a sijere ke nan TI ultra-etwat, malgre yon espas pi gwo esansyèl, pwopriyete transpò yo pa amelyore kòmsadwa. Sepandan, kontwòl pòtay la ta ka toujou optimize ak mens riban akòz rediksyon nan jaden an kritik ak tranzisyon an san yo pa bezwen an pou yon fèmen espas esansyèl. Anplis de sa, yo te fè yon simulation ak yon Hamiltonian espas reyèl pou plis konfime validite nivo aktyèl simulasyon espas mòd nou an. Jan yo montre nan Figi 3c, yo te obsève yon bon akò.

Pou etidye efè e-ph gaye sou transpò hélicoïdal kwen-eta a, yo trase aktyèl atòm-a-atòm nan vire rezolisyon nan Figi 4. Li vo sonje ke VDD=0.05 V nan konfigirasyon sa a. . Yo montre ke kouran ki monte/desann k ap deplase pi devan yo sitou lokalize nan kwen opoze yo (Figi 4a, b). Sepandan, gen yon pòsyon ki pi piti nan transfè chaj k ap fèt nan sant la nan riban an kòm byen ke nan kwen opoze a. Sa a endike kontribisyon an nan esansyèl la ak atòm kwen opoze nan eta yo vire-up / desann nan espas sa a esansyèl. Figi 4c montre ke kontribisyon sa a ogmante ak Vg ak transpò a rive nan plis eta delokalize. Figi 4d montre transpòtè vire-up ki deplase bak ki sitiye nan kwen opoze a nan kanal la vire-up ki deplase pi devan. Ka bloke nan vire-momentum dwe dedwi nan rezilta sa yo. Kòm e-ph gaye enkli (Figi 4e, f), transfè a nan elektwon k ap deplase pi devan redwi nan kwen an ak sitou nan mitan an nan riban an, ki endike degradasyon aktyèl la.

Anplis stanene, monocouches, ak bilayers de Na3Bi te atire anpil atansyon. Eksperyans yo te montre ke monokouch Na3Bi yo gen yon espas bann bulk de 360 meV, osi byen ke yon relativman ti jaden kritik nan 1.1 V/nm [20]. Yo te eksplore teyorikman TI-FET ki baze sou ultra-kout, ultra etwat riban Na3Bi [16]. Nan yon TI-FET repoze yo sou ouvèti a gap kòm yon mekanis chanje, anplis yon ti jaden kritik, espas sa a band louvri apre tranzisyon an ta dwe ase gwo pou efikasman anpeche aktyèl la. Travay anvan yo ki baze sou DFT te montre ke pou pi laj riban nan Na3Bi (pi wo pase 6 nm), espas sa a band louvri apre tranzisyon an piti (pi piti pase 0.2 eV). Sepandan, pi mens riban Na3Bi gen pi gwo twou vid ki genyen (alantou 0.4 eV), tranzisyon faz post-topolojik. Se poutèt sa, li ka benefisye yo sèvi ak mens Na3Bi riban eksplwate pi gwo diferans apre tranzisyon an. Rezilta nou yo montre ke nan yon lajè ki mwens pase 4 nm, efè konfizyon yo lakòz yon ouvèti espas akòz sipèpoze eta alantou nivo Fermi. Anplis de sa, byenke espas sa a esansyèl ogmante ak yon rediksyon nan lajè (Figi 5b, c), eta yo nan espas sa a esansyèl yo mal lokalize, menm jan ak stanene (rejyon an gri-lonbraj nan Figi 5c). Diferans ki louvri a ak pi gwo kontribisyon atòm mitan yo nan eta yo andedan espas sa a esansyèl poze defi nan itilizasyon Na3Bi ultra etwat nan yon TI-FET. Sepandan, si yo itilize yon riban Na3Bi pi laj, espas sa a nan eta a koupe (apre tranzisyon) se sèlman alantou 0.2 eV, ki sanble difisil pou gen yon TI-FET ki ba flit ki baze sou tranzisyon faz elektrik-pwovoke ak Na3Bi. .

3.3. Tranzisyon Faz Topolojik Pwodui Elektrik Field nan Xenes

Chanjman topolojik ak pòtay se youn nan mekanis yo pwopoze pou kontwole transpò nan TI. Chanjman topolojik la ka rive avèk yon jaden elektrik pèpandikilè ki pa nan plan an ki fèmen epi relouvri espas sa a. Yon lòt fason pou manipile transpò eta kwen an se atravè aplikasyon yon jaden elektrik transverse nan avyon an. Isit la, nou etidye efè yon jaden lateral aplike sou transpò ak pwopriyete elektwonik nan stanene ak bismuthene nanoribbons.

Figi 6 montre chanjman elektrik-chaden-induit yo nan dispèsyon bann stanene ak bismuthene. Figi 6a montre ke, lè w aplike yon jaden andeyò plan (Ez), yon espas ouvè nan pwen X nan eta kwen riban zigzag stanene a. Sepandan, eta ki san pwoteksyon alantou pwen Γ a monte nan espas sa a tou. . Nan Figi 6b, nou wè ke jaden lateral la (Ey) ouvri yon espas nan pwen X la tou, lè l sèvi avèk yon anviwon 10× jaden redwi. Diferans lan se anviwon 0.13 eV pou Ey=6 eV/nm. Sepandan, eta yo alantou Γ rete san chanjman, paske yo sitou fòme pa atòm mitan yo. Nan bismutèn, tou de jaden lateral ak andeyò plan chanje eta pwoteje ak san pwoteksyon epi fèmen espas sa a esansyèl (Figi 6c, d). Yon fwa ke diferans nan esansyèl fèmen, eta yo vire-polarize pa ka izole ankò. Se poutèt sa, transpò a pral san pwoteksyon. Anplis de sa, jaden an lateral sanble gen yon enfliyans pi radikal sou dispèsyon enèji a konpare ak Ez nan bismuthene. Li ka dedwi ke jaden an lateral ka melodi estrikti nan bann nan yon fason diferan pase jaden an deyò-de-avyon, ak nan kèk materyèl, li ka pi avantaje yo sèvi ak jaden an lateral.

Yon jaden lateral ka aplike lè w gen pòtay bò, ke nou mennen ankèt pwochen lè l sèvi avèk riban zigzag stanene (Figi 7a). Isit la, stanene yo chwazi depi aplikasyon an nan yon jaden lateral ouvè yon espas, ki ta dwe detekte nan LDoS yo jwenn nan simulation NEGF nou an.

Figi 7b,c montre spectre aktyèl rezolisyon enèji a, pou Vleft=0 ak Vleft=4.4 V, respektivman. Vòltaj sou lòt pòtay la se Vright=0 V. Anplis de sa, Lch=10 nm, VDD=0.05 V, ak yon konsantrasyon dopan 3 × 1020 cm− 3 prezante pou chanje nivo Fermi. Yo obsève yon espas alantou 0.1 eV nan aparèy la ak Vleft=4.4 V (Figi 7c), ki konfime ouvèti a nan yon espas pa deyò jaden elektrik lateral la.

LDOS nan plak santral aparèy la ilistre nan Figi 7d. Yo montre ke kòm jaden elektrik la ap monte, eta chanèl kwen yo rete sou yon sèl kwen (al gade Figi 7d, figi an tèt) ak yon espas ouvè nan LDOS la (nan fenèt la Fermi make pa yon zòn lonbraj nan Figi 7d). Figi 7d montre ke gen yon valè fini pou LDOS nan fenèt Fermi a anvan espas ouvèti a, ki endike prezans eta metalik kwen yo nan fenèt Fermi a. Pandan jaden elektrik la ap monte, LDOS la disparèt nan fenèt Fermi a (gade Figi 7d nan Vg=4 V). Kòm yon rezilta nan diferans sa a, aktyèl la diminye ak yon rapò ION / IOFF nan alantou 28 ka obsève nan tanperati chanm (Figi 7e).

Lè w anplwaye metal pòtay ak fonksyon travay diferan, yo pwovoke yon jaden elektrik entegre. Sa a ta dwe redwi jaden papòt ki nesesè pou louvri yon espas. Figi 7d montre ke nan Vg=0 V deja gen yon gwo asimetri nan LDoS ki fòme pa atòm kwen gòch yo konpare ak atòm kwen dwat yo nan fenèt Fermi a. Diferans sa a se akòz jaden elektrik pwovoke soti nan pòtay metal yo bò ak fonksyon travay diferan. Figi 7e montre ke gen yon jaden elektrik entegre efektivman diminye vòltaj papòt ki nesesè pou yon ouvèti espas. Pakonsekan, li kapab yon apwòch itil nan riban TI ultra-mens (TI ak gwo twou vid ki genyen esansyèl), kòm tranzisyon yo faz rive san yo pa fèmen espas sa a esansyèl. Sepandan, li poze kesyon si wi ou non pwopriyete transpò yo favorab nan yon TI ak yon jaden elektrik bati-an. Nan lòt mo, èske vire-momentum bloke a ak transpò ki pwoteje konsève nan yon TI espesifik ak yon jaden bati-an? Kesyon sa a mande plis envestigasyon.

4. Diskisyon

Nou etidye efè kouple elèktron-fonon sou pwopriyete transpò de Xenes ak faz topolojik ki pa trivial ak diferan twou vid ki genyen nan gwoup en. Li te obsève ke nan yon riban stanene (yon espas esansyèl nan 0.17 eV), e-ph gaye te lakòz degradasyon aktyèl konsiderab. Sa a te akòz ekstansyon an nan eta yo esansyèl ak yon gwo dansite nan eta nan espas sa a esansyèl. Kòm yon rezilta, lokalizasyon kwen nan eta yo pwoteje detwi, menm ak yon ti potansyèl deformation. Nan lòt men an, si nou etidye transpò a atravè eta ki pwoteje nan bismuthene (distans esansyèl nan 0.5 eV), yo obsève yon iminite siyifikativman pi wo nan e-ph gaye.

Nan travay anvan yo, li te pwopoze ke yon riban ultra-mens Xene benefisye de yon ogmantasyon nan espas sa a esansyèl, yon rediksyon nan jaden elektrik kritik la, ak yon tranzisyon faz san yo pa yon espas en fèmen [15]. Yon espas en elaji ka amelyore transpò eta kwen an nan stanene. Pakonsekan, nou etidye efè konfizyon pwopòsyon sou pwopriyete transpò stanene zigzag riban. Li te obsève ke, malgre yon ogmantasyon siyifikatif nan diferans nan esansyèl (soti nan 0.21 eV pou W=6 nm a 0.52 eV pou yon W=2.5 nm), sèlman yon ti fenèt enèji nan eta yo nan espas sa a se byen lokalize. Pifò eta ki nan espas sa a yo delokalize men nan espas momantòm diferan. Konklizyon menm jan an tou te trase pou Na3Bi. Yon fwa, e-ph gaye enkli, elektwon ka backscatter. Sa a lakòz prèske pa gen okenn amelyorasyon nan iminite a nan gaye elèktron-fonon.

Finalman, nou etidye pwopriyete elektwonik ak transpò nan riban TI sibi jaden elektrik lateral. Li te montre ke jaden lateral la ka chanje estrikti gwoup la byen wo, espesyalman depi atòm kwen yo fòme eta metalik ki pwoteje yo. Aplikasyon an nan Ey louvri yon espas nan eta yo metalik nan riban an stanene ak fèmen espas sa a esansyèl nan bismuthene. Sèvi ak modulation espas sa a, yon stanene TI-FET ak yon longè kanal 10 nm montre yon rapò ION / IOFF nan 28 nan tanperati chanm. Vòltaj papòt ki nesesè pou louvri yon espas montre yon amelyorasyon nan TI-FET yo te rapòte deja. Itilizasyon yon jaden elektrik bati-an ka plis redwi vòltaj papòt la. Sepandan, efè yo nan yon jaden bati-an sou pwopriyete yo transpò nan yon TI jistifye envestigasyon pi fon.

Kontribisyon otè:

Konseptyalizasyon, EA; metodoloji, AA ak EA; gerizon done, EA, ak AA; ankèt, EA, AA, ak MH; validation, EA, AA, ak MH; Devlopman kòd ATOMOS ki gen ladan espas mòd, AA; vizyalizasyon, EA; ekri—preparasyon bouyon orijinal, EA; ekri—revizyon ak koreksyon, AA ak MH Tout otè yo te li epi yo te dakò ak vèsyon ki te pibliye maniskri a.

Finansman:

VSC (Flemish Supercomputer Center), ki te finanse pa Research Foundation-Flanders (FWO) ak Gouvènman Flaman an, te bay yon pati nan resous enfòmatik ak sèvis yo itilize nan travay sa a.

Deklarasyon Komisyon Konsèy Revizyon Enstitisyonèl:

Pa aplikab.

Deklarasyon Konsantman Enfòme:

Pa aplikab.

Deklarasyon Disponibilite Done:

Done yo prezante nan etid sa a genyen nan atik la epi yo disponib sou demann rezonab nan men otè ki koresponn lan.

Konfli enterè:

Otè yo pa deklare okenn konfli enterè.

Referans

1. Hasan, MZ; Kane, CL Coloquium: Izolan topolojik. Rev. Mod. Phys. 2010, 82, 3045. [CrossRef]

2. Bansil, A.; Lin, H.; Das, T. Coloquium: Teyori bann topolojik. Rev. Mod. Phys. 2016, 88, 021004. [CrossRef]

3. Tiwari, S.; Van de Put, ML; Sorée, B.; Vandenberghe, WG transpòtè transpò nan nanoribbon izolan topolojik ki genyen de dimansyon nan prezans domaj pòs vid. 2D Mater. 2019, 6, 025011. [CrossRef]

4. Pezo, A.; Focassio, B.; Schleder, GR; Costa, M.; Lewenkopf, C.; Fazzio, A. Twoub efè pòs vid yo sou pwopriyete transpò elektwonik nan reyalis nanoribbon izolan topolojik: ka a nan bismuthene. Phys. Rev Mater. 2021, 5, 014204. [CrossRef]

5. Konig, M.; Wiedmann, S.; Brune, C.; Roth, A.; Buhmann, H.; Molenkamp, ​​LW; Qi, XL; Zhang, SC kwantik vire Hall izolan eta nan HgTe pwopòsyon pwi. Syans 2007, 318, 766–770. [CrossRef] [PubMed]

6. Wu, S.; Fatemi, V.; Gibson, QD; Watanabe, K.; Taniguchi, T.; Cava, RJ; Jarillo-Herrero, P. Obsèvasyon efè Hall pwopòsyon vire jiska 100 Kelvin nan yon kristal monokouch. Syans 2018, 359, 76–79. [CrossRef]

7. Lima, LR; Lewenkopf, C. Pann nan pwoteksyon topolojik akòz twoub kwen nonmagnetic nan materyèl ki genyen de dimansyon nan faz nan kwantik Hall. Phys. Rev. B 2022, 106, 245408. [CrossRef]

8. Nguyen, NM; Cuono, G.; Islam, R.; Autieri, C.; Hyart, T.; Brzezicki, W. Unprotected kwen mòd nan pwopòsyon spin Hall insulator kandida materyèl. arXiv 2022, arXiv:2209.06912. [CrossRef]

9. Pòl, T.; Becerra, VF; Hyart, T. Interplay of quantum spin Hall efè ak espontane tan-ranvèse simetri kraze nan elèktron-twou bilayers I: Pwopriyete transpò. arXiv 2022, arXiv:2205.12790. [CrossRef]

10. Väyrynen, JI; Goldstein, M.; Gefen, Y.; Glazman, LI Rezistans bor helical fòme nan yon heterostructure semiconductor. Phys. Rev. B 2014, 90, 115309. [CrossRef]

11. Dietl, T. Charge dopants kontwole quantum spin Hall materyèl. arXiv 2022, arXiv:2206.01613.

12. Vannucci, L.; Olsen, T.; Thygesen, KS Conductance nan kwantik vire Hall kwen eta soti nan premye prensip: wòl nan kritik nan enpurte mayetik ak gaye entè-kwen. Phys. Rev. B 2020, 101, 155404. [CrossRef]

13. Ezawa, M.; Nagaosa, N. Entèferans nan eta kwen topolojikman pwoteje nan nanoribbon silisèn. Phys. Rev. B 2013, 88, 121401. [CrossRef]

14. Das, B.; Sen, D.; Mahapatra, S. Tuneable pwopòsyon spin Hall eta yo nan konfine 1T'tranzisyon metal dichalcogenides. Sci. Rep. 2020, 10, 6670. [CrossRef]

15. Nadeem, M.; Zhang, C.; Culcer, D.; Hamilton, AR; Führer, MS; Wang, X. Optimize chanjman topolojik nan nanoribbon 2D-Xene konfine atravè efè fini-gwosè. Appl. Phys. Rev. 2022, 9, 011411. [CrossRef]

16. Shi, B.; Tang, H.; Chante, Z.; Li, J.; Xu, L.; Liu, S.; Yang, J.; Solèy, X.; Quhe, R.; Yang, J.; et al. Tranzisyon faz ak tranzistò topolojik ki baze sou nanoribbon monokouch Na3Bi. Nanoskal 2021, 13, 15048–15057. [CrossRef]

17. Vandenberghe, WG; Fischetti, MV Enpafè de dimansyon izolasyon topolojik tranzistò jaden-efè. Nat. Komin. 2017, 8, 14184. [CrossRef]

18. Molle, A.; Goldberger, J.; Houssa, M.; Xu, Y.; Zhang, SC; Akinwande, D. Boukle fèy Xene ki genyen de dimansyon. Nat. Mater. 2017, 16, 163–169. [CrossRef]

19. Qian, X.; Liu, J.; Fu, L.; Li, J. Quantum vire Hall efè nan dichalcogenides metal tranzisyon ki genyen de dimansyon. Syans 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. Tranzisyon faz topolojik elektrik-jaden-branche nan ultrathin Na3Bi. Nature 2018, 564, 390–394. [CrossRef]

21. Focassio, B.; Schleder, GR; Pezo, A.; Costa, M.; Fazzio, A. Doub aparèy izolan topolojik ak rezistans twoub. Phys. Rev. B 2020, 102, 045414. [CrossRef]

22. Xu, Y.; Chen, YR; Wang, J.; Liu, JF; Ma, Z. Quantized jaden-efè tinèl ant kwen topolojik oswa eta koòdone. Phys. Rev Lett. 2019, 123, 206801. [CrossRef] [PubMed]

23. Pitit, YW; Cohen, ML; Louie, SG Nanoribbon grafèn mwatye metalik. Nati 2006, 444, 347–349. [CrossRef]

24. Afzalian, A.; Pourtois, G. Atomos: Yon rezolisyon modèl atomistik pou transpò dft disipatif nan ultra-echèl hfs2 ak mosfet fosfò nwa. Nan Pwosedi Konferans Entènasyonal 2019 sou Simulation Pwosesis ak Aparèy Semiconductor (SISPAD), Udine, Itali, 4-6 Septanm 2019; paj 1–4.

25. Afzalian, A. Ab initio pèspektiv nan CMOS ultra-echèl soti nan fondamantal materyèl 2d nan tranzistò dinamik dope. NPJ 2D Mater. Appl. 2021, 5, 5. [CrossRef]

For more information:1950477648nn@gmail.com