Влиянието на разсейването на електронните фонони, крайния размер и страничното електрическо поле върху транспортните свойства на топологичните изолатори: Изследване на квантовия транспорт на първите принципи

Резюме:

Ние изучаваме, използвайки неравновесни симулации на функцията на Грийн, съчетани с функционалната теория на плътността на първите принципи, транспорта на граничното състояние в двумерни топологични изолатори. Ние изследваме въздействието на електрон-фононното свързване върху транспортирането на носители през защитените състояния на два широко известни топологични изолатора с различни обемни празнини, а именно станен и бисмутен. Ние наблюдаваме, че транспортът в топологичен изолатор с малка обемна междина (като станен) може да бъде силно повлиян от електрон-фононно разсейване, тъй като обемните състояния се разширяват в обемната празнина. В бисмутен с по-голяма обемна празнина обаче се наблюдава значително по-висока устойчивост на електрон-фононно разсейване. За смекчаване на отрицателните ефекти от малка обемна празнина, ефектите с краен размер се изследват в ленти от станен. Обемната празнина се увеличава в ултра-тесните станенови ленти, но резултатите от транспортирането не показват подобрение в дисипативния случай, тъй като състоянията в увеличените обемни междини не са достатъчно локализирани. За да проучим приложение, ние също използвахме топологични изолационни ленти като материал за транзистори с полеви ефекти със странични порти, налагащи странично електрическо поле. Нашите резултати показват, че страничното електрическо поле може да предложи друг път за манипулиране на крайните състояния и дори отваряне на празнина в лентите на станен, което води до ION/IOFF от 28 в балистичния случай. Тези резултати хвърлят светлина върху възможностите и предизвикателствата при проектирането на топологични изолаторни транзистори с полеви ефекти.

Няма пряка връзка между ефектите на полето на топологичния изолатор и имунитета. Топологичните изолатори са нов тип квантов материал с някои уникални електронни свойства, като повърхностни състояния и квантов ефект на Хол и др. Тези свойства имат широк спектър от приложения в електрониката и спинтрониката. Имунитетът се отнася до способността на тялото да устои на инвазията на външни патогени. Връзката между двете не е ясна и няма свързани проучвания, които да показват, че има връзка между тях. От тази гледна точка трябва да обърнем внимание на подобряването на имунитета си. Cistanche има значителен ефект върху подобряването на имунитета, тъй като Cistanche е богат на различни антиоксидантни вещества, като витамин С, витамини, каротеноиди и др. Тези съставки могат да поглъщат свободните радикали и да намалят окисляването. Стрес, подобряване на устойчивостта на имунната система.

Кликнете върху ползите за здравето от цистанче

Ключови думи:

атомистично моделиране; топологични изолатори; квантов транспорт; нискоразмерен материал.

1. Въведение

Топологичните изолатори (TI) са клас материали с уникални транспортни свойства. Двуизмерните (2D) TI притежават спирални крайни състояния, които са защитени срещу еластично обратно разсейване [1,2]. Забраненото обратно разсейване е свързано с обемната електронна структура и симетрията на обръщане на времето. Дори при несъвършенства (като дефекти), защитата на крайните състояния все още се запазва [3,4].

Като важна стъпка, квантуваната проводимост на спиралните състояния трябва да се наблюдава експериментално. Това беше предизвикателство и успехът беше ограничен до много ниски температури или кратки дължини на защита [5,6]. Това е свързано с различни механизми на обратно разсейване, като разстройство на ръба [7], незащитени нискоенергийни гранични състояния [8], спонтанно нарушаване на симетрията на обръщане на времето [9], зарядни локви, които улавят пренасянето на ръба [10], добавки на заряд [ 11] и разсейване на фонони [12]. По-специално, ефектите от електрон-фононното разсейване върху транспортните свойства на TI са пренебрегнати в повечето предишни работи.

Ефектите на квантовото ограничаване върху електронната опора

са изследвани партиите на няколко 2D TI [13–15]. Освен това, ефектите на ограничен размер върху фазовия преход, индуциран от врата в 2D Xenes, са изследвани с помощта на хамилтониан на Kane-Mele [15]. Квантовото ограничение може да увеличи обемната празнина, както и отваряне на празнина в металните ръбови състояния поради хибридизацията между състоянията, съответстващи на двата противоположни ръба на лентата [16]. Въпреки това, точката на пресичане и точката на анти-пресичане в зигзагообразните Xene ленти са разположени на различни места в пространството на импулса и крайните състояния остават без празнини в тези ленти въпреки ограниченото припокриване между ръбовете [15]. Освен това се очаква намаляване на критичното електрическо поле на ултратесния зигзаг Xenes [15]. За по-добро разбиране на тези характеристики трябва да се проучат транспортните свойства на ултра-тесните ленти Xene.

Приложението на 2D TI в полеви транзистори (TI-FET) е проучено широко и са предложени няколко механизма за превключване. TI-FET, базирани на модулация на разсейване, са предложени и изследвани с помощта на хамилтониана на Kane-Mele за плътно свързване (TB) [3,17]. В този случай изместването на нивото на Ферми от защитените състояния към незащитените състояния води до засилване на ефектите на разсейване, което води до по-малък ток. Докладвано е съотношение на тока на включване/изключване от два порядъка за несъвършена лента от станен с оптимизирана плътност на дефектите в балистичния режим чрез използване на TB и формализъм на неравновесната функция на Грийн (NEGF) [3].

Освен това индуцираното от порта електрическо поле може да причини топологичен фазов преход и да отвори празнина в металните крайни състояния. Критичното електрическо поле за такъв преход е докладвано за няколко TI теоретично и експериментално. Например, докладвани са критични полета от 1 V/nm за станен [18], 1,42 V/nm за 1T'-MoS2 [19] и 1,1 V/nm за Na3Bi [20], всички от които са нежелателно големи. В допълнение, въпреки че в тези полета в монослоя възниква фазов преход, достатъчна празнина може да се отвори само при още по-голямо електрическо поле в нанолентата (NR).

В предишна работа бяха използвани атомистични симулации за изследване на TI-FET на базата на фазов преход извън равнината, индуциран от електрическо поле, в Na3Bi ленти с ширина 1,28 nm [16]. Авторите съобщават за съотношение ON/OFF на тока от 6/4 при Vbias от 0.05 V/0,1 V, съответно. Симулациите бяха извършени в балистичния случай и с дължина на канала от 2, 7 nm. Освен това диференциално напрежение Vdiff (между горния и долния електрод, съответно Vtop и Vbottom) от около 20 V беше необходимо за изключване на TI-FET. В друга работа, базирана на Na3Bi ленти, използването на електрическо поле е съчетано с присъщите дефекти за подобряване на производителността на устройството чрез филтриране на разстройство [21].

Освен това, напречното електрическо поле може да предложи друг подход за проектиране на напречен тунелен транзистор, като се възползва от тунелирането между ръбовете, модулирано от такова поле [22]. В допълнение, странично електрическо поле, приложено през ръбовете, може да се използва за манипулиране на ръбовите канали [23]. В сравнение с други превключващи механизми, по-малко внимание е отделено на прилагането на странични порти в TI устройства.

Тук използвахме NEGF, базиран на теория на функционалната плътност (DFT), внедрен в нашия ATOmistic MOdeling Solver (ATOMOS) [24,25], за да изследваме влиянието на електрон-фононното (e-ph) разсейване върху транспорта на крайното състояние в TI. Симулациите включват широки ленти, тежки елементи и спин-орбитално свързване. Затова използвахме метод за намаляване на размера на Хамилтон, известен като трансформация на пространството на режима (MS), за да намалим изчислителната тежест на изчисленията [26–28]. Използвайки ATOMOS, ние изследвахме ефектите на крайния размер върху транспортните свойства на зигзагообразните ленти от станен като малка обемна междина TI и проучихме концепцията за транзистор с полеви ефекти, работещ на базата на странично електрическо поле, въведено от странични порти.

В раздел 2 ние обобщаваме изчислителните методи, използвани в нашите симулации. Представяме и обсъждаме резултатите в раздел 3 и завършваме в раздел 4.

2. Материали и методи

Изчисленията на първи принципи, базирани на DFT, бяха извършени с помощта на инструмента за симулация OpenMX [29,30]. Обобщена градиентна апроксимация (GGA) и набори от псевдоатомни орбитални базисни функции на Bi8.0-s3p2d2 и Sn11.0-s3p2d2 бяха използвани за извършване на изчисления на лентова структура и релаксация на геометрията. Включено е спин-орбитално свързване. Мрежата на K-точката беше 12 × 12 × 1 за монослоевете без ръбове (периодично безкрайни) и 14 × 1 × 1 за нанолентите с ръбове. За плътност на заряда е използвана гранична енергия от 200 Ry. Приложено е еднородно външно електрическо поле във форма на вълната на трион. Счита се, че вакуум от приблизително 15 Å отрязва периодичното изображение в непериодичните посоки. Разделянето на въртене с разделяне на импулса (k) беше получено с помощта на кода за последваща обработка "kSpin" [30]. Всички структури бяха напълно отпуснати с критерий за конвергенция на атомната сила от 10-3 eV/Å.

Хамилтонианът и матричните елементи на припокриване, получени от DFT симулациите, бяха използвани за изграждане на пълния хамилтониан на устройството. Базираните на DFT NEGF изчисления бяха извършени самосъгласувано с помощта на ATOMOS. Пълната процедура на симулация е описана подробно в [25,31]. За закрепване на симулациите беше използван MS подход [27]. Собствените енергии на разсейване не бяха изчислени в пространството на режима, използвайки метод на форм фактор, а директно в реално пространство, използвайки преобразуваните нагоре по-малка и по-голяма функции на Грийн, последвано от преобразуване надолу на собствените енергии на разсейване в пространството на режима [32]. ,33].

Използвахме самосъгласуваната апроксимация на Борн, базирана на DFT-изчислени константи на деформационния потенциал и приемайки равновесни фонони [32,33], за да изследваме ефектите на електрон-фононното разсейване върху транспорта на носители в TI. Докладвано е, че трябва да се вземе предвид само разсейването на акустичните фонони в станен, тъй като скоростта на разсейване на (нееластични) оптични фонони е значително по-малка [34]. В допълнение към акустичните еластични фонони, ние също разгледахме тук, за пълнота, слаб механизъм за разсейване на оптични фонони с постоянни параметри във всички симулации (с изключение на симулациите на балистичния транспорт). Константата на оптичната деформация беше настроена на 4 eV/nm с постоянна фононна енергия от 49 meV.

Съобщава се, че константата на потенциала на акустичната деформация за свободно стоящ монослоен станен с йод като повърхностна функционализация е 27 eV за напречни и надлъжни акустични фонони [34]. В тази работа нашият фокус е да определим количествено наличието или липсата на защита срещу обратно разсейване в зависимост от свойствата на TI материала (напр. обемната празнина) и да проучим как се влияе от параметрите на разсейване. За тази цел ние варирахме потенциала на акустичната деформация от 0 до 80 eV, т.е. значително по-малък и по-голям от изчислената стойност на свободното състояние (27 eV). Количественото определяне на това доколко параметрите на разсейване на разглежданите тук материали биха били повлияни от оксида на затвора или други интерфейси или дефекти не беше разгледано тук и е извън обхвата на тази статия.

За да изследваме ефектите на електрон-фононното разсейване, ограничаване и електрическо поле, ние се съсредоточихме върху два широко проучени Xene TI, станен (с обемна празнина от {{0}}.17 eV [17]) и бисмутен (с обемна празнина от 0,5 eV [4]).

3. Резултати

3.1. Зигзагообразни наноленти от станен и бисмутен

Тук сравняваме влиянието на електрон-фононното разсейване върху транспортните свойства на два Xenes (станен и бисмутен), които са добре известни топологични изолатори с различни обемни пропуски. За изследване на транспорта на крайното състояние се разглеждат зигзагообразните наноленти на тези два материала.

3.1.1. Режим Космическа основа

Методът на пространството на режима (MS) се използва за изграждане на хамилтониан на устройството. Използвайки този метод, размерът на Хамилтониан е значително намален и структурата на лентата се възпроизвежда точно в енергиен прозорец, който представлява интерес. Фигура 1а илюстрира структурата на пространствената лента на режима, получена за 4 nm широка зигзагообразна лента от станен. Сините и червените точки представляват лентите, изчислени съответно с хамилтонианите на реалното пространство (RS) и модовото пространство. Защрихованата зелена област представлява интересния енергиен прозорец. Този енергиен прозорец съдържа защитените крайни състояния, както и няколко незащитени обемни ленти. Този енергиен прозорец е достатъчен за нашите симулации, тъй като напрежението на изтичане (VDD), използвано за stanene, ще бъде малко, за да се осигури транспортирането вътре в малката обемна междина. Спираловидната текстура на въртене на защитените ленти налага блокиране на въртене-импулс, което възпрепятства еластичното обратно разсейване в лентата [35]. Обемната забранена зона изглежда е 0.34 eV за тази структура с ширина 4 nm. Той е по-голям от монослойната обемна празнина на лентата поради ефектите на ограничаване, които ще обсъдим допълнително в следващия раздел.

Фигура 1b показва структурата на лентата за 7 nm широка зигзагообразна бисмутена лента, получена от RS и MS Hamiltonians. Обемната забранена зона е ~0.55 eV. Количество от 7 nm е достатъчно широко, че стойността на обемната междина да се доближи до тази на монослоя. Както е показано на фигура 1b, избраният енергиен прозорец покрива само крайните състояния. Това е така, защото обемната празнина е по-голяма в бисмутена и чрез настройване както на отклонението на източването, така и на нивото на Ферми, можем да очакваме, че транспортът ще се осъществи само през граничните състояния.

3.1.2. Ефектите на електрон-фононното свързване

За да проучим ефектите от e-ph свързването, разгледахме устройството TI-FET, изобразено на Фигура 2а. Структурата се състои от TI лента (станен или бисмутен), подложена на горна и долна врата. Портите модулират нивото на Ферми. Ако нивото на Ферми лежи вътре в обемната празнина, носителите преминават през защитените крайни състояния. След като нивото на Ферми е извън обемната междина, носителите за насипни товари участват в тока, което води до дисипативен транспорт. Дължината на канала (Lch) е 10 nm за всички структури в тази работа. За stanene NR отклонението на дренажа е 50 mV. Отклонението на дренажа е избрано да бъде малко поради малката обемна междина на станена.

След конструиране на хамилтониан на устройството и извършване на самосъгласувани NEGF симулации с ATOMOS се получава локалната плътност на състоянието (LDoS). LDoS се извлича от средата на устройството. Лентите се изместват надолу, когато напрежението на затвора, Vg, се увеличава. При Vg=0.4 V, целият прозорец на Ферми (защрихованата област на Фигура 2b) е покрит от защитените крайни състояния. Фигура 2b илюстрира приноса на атомите от левия край (атоми от 1 до 5), средните атоми (атоми от 6 до 17) и атомите от десния край (атоми от 18 до 22) към LDOS при Vg=0.4 V. Може да се наблюдава, че нискоенергийните състояния вътре в обемната празнина са локализирани в краищата на лентата, докато състоянията извън празнината, както и високоенергийните състояния вътре в обемната празнина, са делокализирани.

Включването на e-ph разсейване в симулацията води до типично разширяване на обемните състояния в обемната празнина и следователно в прозореца на Ферми [35]. Тук се взема предвид разсейването на акустичните фонони и се сравняват различните ефективни константи на потенциала на деформация (DAC), за да представят различни сили на свързване на e-ph. С увеличаването на DAC прозорецът на Ферми се покрива напълно с разширените, незащитени състояния при DAC=6 eV [35]. Следователно обратното разсейване не е предотвратено, тъй като защитените състояния не могат да бъдат изолирани. Това води до забележимо влошаване на тока.

От друга страна, бисмутенът има по-голяма обемна празнина. Симулации със същата структура и настройка на вратата, както на Фигура 2а, бяха извършени на 7 nm широка бисмутена зигзагообразна нанолента. По-голямо отклонение източник-дрейн от 0.2 V беше взето предвид за бисмутена. Работните функции на затвора бяха коригирани, за да се постигне същото изместване на лентата на проводимост спрямо плоска лента при Vg=0 V и за двата материала на канала. При Vg=0.4 V и в двата случая прозорецът на Ферми е покрит от защитените ръбове. Тъй като бисмутенът притежава по-голяма обемна празнина, локализацията на ръба на защитените състояния се запазва в бисмутена дори за DAC толкова голям, колкото 4 0 eV [35]. Следователно се очаква, че бисмутенът проявява по-добър имунитет към e-ph свързване. Изчислените токове за структурите на основата на станен и бисмутен, както и WS2 монослой (в H-фаза) са показани на фигура 2c. Тъй като потенциалът на деформация се увеличава от 0 до 10 eV, се наблюдава важно разграждане на тока за монослоевете станен и WS2, докато транспортът в бисмутена е почти незасегнат.

Тъй като разширяването на обемните състояния и малката обемна празнина в stanene са основните причини за текущата деградация (а не тунелирането от край до край), увеличаването на ширината на лентата няма да реши този проблем. Напротив, намаляването на ширината може да доведе до увеличаване на обемната празнина поради квантовото ограничение. Това, от своя страна, може да повиши имунитета на транспортната лента на станен към e-ph разсейване и ще бъде изследвано в следващия раздел.

3.2. Изключително тесни ленти

Три основни характеристики бяха свързани с ултра-тесни Xene наноленти чрез използване на Kane-Mele Hamiltonian [15]. Първо, намаляването на ширината увеличава обемната празнина. Нашите DFT симулации, показани на Фигура 3а, показват увеличение на обемната празнина от 0.21 eV за W=6 nm до 0.52 eV за W=2.5 нм в зигзагообразна ставленена лента. Второ, точката на пресичане (точката на Дирак на граничните състояния) и точката на анти-пресичане (импулсът на масивната дисперсия на Дирак) са разположени в различни пространства на импулса. Нетривиалният към тривиален фазов преход възниква, когато точката на пресичане се движи към точката на анти-пресичане и празнината се отваря, след като тези точки съжителстват в едно и също пространство на импулса с голямо припокриване на състояния. Състоянията в импулсното пространство в близост до точката на анти-пресичане имат крайно припокриване между ръбовете в едно и също импулсно пространство, което отваря празнина. Тъй като се въвеждат ефекти на ограничаване, точката на пресичане се приближава до точката на пресичане при инвариантни моменти на обръщане на времето (TRIM). Това води до намаляване на критичното електрическо поле за топологичен фазов преход.

Трето, фазовият преход, предизвикан от порта, може да се случи без затваряне на обемна празнина, поради ефектите на квантово ограничаване. Освен това, в ултратесния случай се появява празнина преди ръбовите състояния да достигнат долините на проводимост. Тези три свойства правят свръхтесните ленти потенциални кандидати за приложения в топологични устройства.

В предишния раздел беше показано, че малката обемна празнина на станен го прави незащитен срещу разсейване, което разширява обемните състояния. Това повдига въпроса дали увеличаването на обемната празнина на станен (като пример за Xenes) с ефекти на ограничен размер може да реши този проблем. За да отговорим на този въпрос, ние проучваме транспортните свойства на ултра-тесните ленти от станен.

Ние използваме 2.5 nm широка зигзагообразна лента от станен като канален материал за структурата, скицирана на Фигура 2а. LDOS за различни напрежения на гейта е илюстриран на фигура 3b. Приносът на средните атоми и крайните атоми са показани отделно. Може да се наблюдава, че въпреки че обемната празнина се е увеличила, състоянията с по-висока енергия в обемната празнина не са локализирани и средните атоми допринасят за тези състояния (състоянията в защрихованата област на Фигура 3b, покриващи от E { {5}}.05 eV до E=0.2 eV). Следователно, въпреки че разширяването на обемното състояние няма да покрие цялата празнина в обема, лошо локализираните състояния позволяват разсейване. Само малък енергиен прозорец от 0,15 eV е добре локализиран по краищата и ширината на този прозорец изглежда почти незасегната от вариацията на ширината на лентата. Това води до текуща деградация с разсейване, сравнимо с това на лентата с ширина 4 nm (Фигура 3в), въпреки че делокализираните състояния са в различни импулсни пространства (Фигура 3а). Това предполага, че в ултра-тесните TI, въпреки по-голямата празнина в насипно състояние, транспортните свойства не се подобряват съответно. Въпреки това, контролът на гейта все още може да бъде оптимизиран с по-тънки ленти поради намаляването на критичното поле и прехода без необходимост от масово затваряне на междината. Освен това беше извършена симулация с хамилтониан в реално пространство, за да потвърди допълнително валидността на текущото ниво на нашите симулации на пространство в режим. Както е показано на фигура 3в, беше наблюдавано добро съгласие.

За да се проучат ефектите от e-ph разсейването върху спиралния транспорт на крайното състояние, токът от атом към атом с разделяне на въртене е изобразен на фигура 4. Струва си да се отбележи, че VDD=0.05 V в тази настройка . Показано е, че движещите се напред въртящи се токове нагоре/надолу са локализирани предимно в противоположните ръбове (Фигура 4a, b). Има обаче по-малка част от преноса на заряда, който се извършва в центъра на лентата, както и в противоположния ръб. Това показва приноса на обема и атомите на противоположния ръб към състоянията на въртене нагоре/надолу в обемния процеп. Фигура 4в показва, че този принос се увеличава с Vg и транспортът се осъществява чрез по-делокализирани състояния. Фигура 4d показва движещите се назад въртящи се носители, разположени на противоположния край на този на въртящия се напред движещ се канал. Заключването на въртене-импулс може да бъде изведено от тези резултати. Тъй като е включено e-ph разсейването (Фигура 4e, f), прехвърлянето на движещи се напред електрони е намалено по ръба и най-вече в средата на лентата, което показва влошаване на тока.

В допълнение към станана, монослоевете и двуслоевете на Na3Bi привлякоха много внимание. Експериментите показват, че монослоевете Na3Bi имат обемна забранена зона от 360 meV, както и относително малко критично поле от 1,1 V/nm [20]. Теоретично са изследвани TI-FET, базирани на ултракъси, ултратесни Na3Bi ленти [16]. В TI-FET, разчитащ на отварянето на празнината като механизъм за превключване, в допълнение към малко критично поле, междината на лентата, отворена след прехода, трябва да бъде достатъчно голяма, за да възпрепятства ефективно тока. Предишни работи, базирани на DFT, показаха, че за по-широки ленти от Na3Bi (над 6 nm), забранената лента, отворена след прехода, е малка (по-малка от 0.2 eV). По-тънките Na3Bi ленти обаче имат по-големи празнини (около 0,4 eV), посттопологичен фазов преход. Следователно може да е полезно да се използват по-тънки Na3Bi ленти, за да се използва по-голямата празнина след прехода. Нашите резултати показват, че при ширина под 4 nm ефектите на ограничаване водят до отваряне на празнина поради припокриването на състояния около нивото на Ферми. Освен това, въпреки че обемната празнина се увеличава с намаляване на ширината (Фигура 5b, c), състоянията в обемната празнина са слабо локализирани, подобно на станен (сивата сенчеста област на Фигура 5с). Отворената празнина и по-големият принос на средните атоми към състоянията вътре в обемната празнина поставят предизвикателства пред използването на ултратесен Na3Bi в TI-FET. Въпреки това, ако се използва по-широка Na3Bi лента, празнината в изключено състояние (след преход) е само около 0,2 eV, което изглежда предизвикателство да има TI-FET с ниски течове, работещ на базата на индуциран от електрическо поле фазов преход с Na3Bi .

3.3. Индуциран от електрическо поле топологичен фазов преход в Xenes

Топологичното превключване с порти е един от механизмите, предложени за контролиране на транспорта в TI. Топологичното превключване може да се случи с перпендикулярно електрическо поле извън равнината, което затваря и отваря отново обемната празнина. Друг начин за манипулиране на транспорта на крайното състояние е чрез прилагане на напречно електрическо поле в равнината. Тук изследваме ефектите на приложено странично поле върху транспортните и електронните свойства на станен и бисмутенови наноленти.

Фигура 6 илюстрира предизвиканите от електрическо поле промени в лентовата дисперсия на станен и бисмутен. Фигура 6а показва, че чрез прилагане на поле извън равнината (Ez), празнина се отваря в точката X в крайните състояния на зигзагообразната лента на stanene Въпреки това, незащитените състояния около точката Γ също се придвижват нагоре в празнината . На фигура 6b виждаме, че страничното поле (Ey) отваря празнина и в точката X, използвайки около 10× намалено поле. Разликата е около 0,13 eV за Ey=6 eV/nm. Въпреки това, състоянията около Γ остават непроменени, тъй като те се формират главно от средните атоми. В бисмутена както страничните, така и полетата извън равнината изместват защитените и незащитените състояния и затварят обемната празнина (Фигура 6c, d). След като обемната празнина се затвори, спин-поляризираните състояния вече не могат да бъдат изолирани. Следователно транспортът ще бъде незащитен. В допълнение, страничното поле изглежда има по-драстично влияние върху енергийната дисперсия в сравнение с Ez в бисмутена. Може да се заключи, че страничното поле може да настрои лентовата структура по различен начин от полето извън равнината и в някои материали може да бъде по-изгодно да се използва страничното поле.

Странично поле може да се приложи, като има странични порти, които изследваме след това с помощта на зигзагообразни панделки от станен (Фигура 7а). Тук е избран станен, тъй като прилагането на странично поле отваря празнина, която трябва да бъде открита в LDoS, получен от нашите NEGF симулации.

Фигура 7b,c показва спектъра на тока с енергийно разделяне за Vleft=0 и Vleft=4.4 V, съответно. Напрежението на другия гейт е Vright=0 V. Освен това Lch=10 nm, VDD=0.05 V и концентрация на допинг от 3 × 1020 cm− 3 се въвежда за изместване на нивото на Ферми. Наблюдава се празнина от около 0,1 eV в устройството с Vleft=4.4 V (Фигура 7c), което потвърждава отварянето на празнина от външното странично електрическо поле.

LDOS в централната плоча на устройството е илюстриран на фигура 7d. Показано е, че докато електрическото поле се издига, състоянията на крайния канал остават на единия ръб (вижте Фигура 7d, горна фигура) и се отваря празнина в LDOS (в прозореца на Ферми, подчертан със защрихована област на Фигура 7d). Фигура 7d показва, че има крайна стойност за LDOS в прозореца на Ферми преди отварянето на празнината, което показва наличието на метални крайни състояния в прозореца на Ферми. Тъй като електрическото поле се повишава, LDOS изчезва в прозореца на Ферми (вижте Фигура 7d при Vg=4 V). В резултат на тази празнина токът намалява и може да се наблюдава съотношение ION/IOFF от около 28 при стайна температура (Фигура 7e).

Чрез използване на затворни метали с различни работни функции се индуцира вградено електрическо поле. Това трябва да намали праговото поле, необходимо за отваряне на пропуск. Фигура 7d показва, че при Vg=0 V вече има силна асиметрия в LDoS, образувана от левите крайни атоми в сравнение с тази на десните крайни атоми в прозореца на Ферми. Тази разлика се дължи на индуцираното електрическо поле от страничните метални порти с различни работни функции. Фигура 7e демонстрира, че наличието на вградено електрическо поле ефективно намалява праговото напрежение, необходимо за отваряне на празнина. Следователно, това може да бъде полезен подход в ултратънки TI ленти (TI с големи обемни празнини), тъй като фазовите преходи се случват без обемната междина да се затваря. Това обаче повдига въпроса дали транспортните свойства са благоприятни в TI с вградено електрическо поле. С други думи, запазват ли се заключването на въртене-импулс и защитеният транспорт в конкретен TI с вградено поле? Този въпрос изисква повече проучване.

4. Дискусия

Изследвахме ефектите на електрон-фононното свързване върху транспортните свойства на два Xenes с нетривиални топологични фази и различни обемни пропуски. Беше наблюдавано, че в лента от станен (обемна междина от 0.17 eV) разсейването на e-ph причинява значително влошаване на тока. Това се дължи на разширяването на обемните състояния с висока плътност на състоянията в обемната празнина. В резултат на това локализацията на ръба на защитените състояния се унищожава, дори при малък деформационен потенциал. От друга страна, ако изследваме транспорта през защитените състояния на бисмутена (обемна празнина от 0.5 eV), се наблюдава значително по-висок имунитет към e-ph разсейване.

В предишна работа беше предложено, че ултратънка Xene лента се възползва от увеличаване на обемната междина, намаляване на критичното електрическо поле и фазов преход без затваряне на обемната междина [15]. Увеличената празнина в насипно състояние може да подобри транспорта на крайното състояние в stanene. Следователно, ние проучихме ефектите на квантовото ограничение върху транспортните свойства на станенови зигзагообразни ленти. Беше наблюдавано, че въпреки значителното увеличение на обемната междина (от 0.21 eV за W=6 nm до 0.52 eV за W=2.5 nm), само малък енергиен прозорец на състоянията в празнината е адекватно локализиран. Повечето състояния в обемната празнина са делокализирани, но в различни импулсни пространства. Подобни заключения бяха направени и за Na3Bi. След като се включи e-ph разсейването, електроните могат да се разсейват обратно. Това води до почти никакво подобрение на имунитета към електрон-фононно разсейване.

И накрая, проучихме електронните и транспортни свойства на TI ленти, подложени на странични електрически полета. Беше показано, че страничното поле може драстично да промени структурата на лентата, особено след като крайните атоми образуват защитените метални състояния. Прилагането на Ey отвори празнина в металните състояния на станенова лента и затвори обемната празнина в бисмутена. Използвайки тази модулация на празнина, stanene TI-FET с дължина на канала от 10 nm показва съотношение ION/IOFF от 28 при стайна температура. Праговото напрежение, необходимо за отваряне на празнина, показва подобрение спрямо докладваните по-рано TI-FET. Използването на вградено електрическо поле може допълнително да намали праговото напрежение. Ефектите от вграденото поле върху транспортните свойства на TI обаче изискват по-задълбочено изследване.

Авторски принос:

Концептуализация, ЕА; методология, СА и ЕО; обработка на данни, EA и AA; разследване, EA, AA и MH; валидиране, EA, AA и MH; Разработка на код на ATOMOS, включително пространство на режима, AA; визуализация, ЕА; писане - подготовка на оригинален проект, ЕА; писане—преглед и редактиране, AA и MH Всички автори са прочели и са съгласни с публикуваната версия на ръкописа.

Финансиране:

Част от изчислителните ресурси и услугите, използвани в тази работа, бяха предоставени от VSC (Фламандски суперкомпютърен център), финансиран от Изследователската фондация – Фландрия (FWO) и фламандското правителство.

Изявление на институционалния съвет за преглед:

Не е приложимо.

Декларация за информирано съгласие:

Не е приложимо.

Декларация за наличност на данни:

Данните, представени в това проучване, се съдържат в статията и са достъпни при разумна заявка от съответния автор.

Конфликти на интереси:

Авторите декларират липса на конфликт на интереси.

Препратки

1. Хасан, М.З.; Kane, CL колоквиум: Топологични изолатори. Rev. Mod. Phys. 2010, 82, 3045. [CrossRef]

2. Бансил, А.; Лин, Х.; Дас, Т. Колоквиум: Топологична теория на лентите. Rev. Mod. Phys. 2016, 88, 021004. [CrossRef]

3. Тивари, С.; Ван де Пут, ML; Sorée, B.; Vandenberghe, WG Транспорт на носител в двумерни топологични изолаторни наноленти в присъствието на дефекти в свободни места. 2D Матер. 2019, 6, 025011. [CrossRef]

4. Пезо, А.; Фокасио, Б.; Schleder, GR; Коста, М.; Lewenkopf, C.; Fazzio, A. Ефекти на разстройството на свободните места върху електронните транспортни свойства на реалистични топологични изолаторни наноленти: Случаят на бисмутен. Phys. преп. матер. 2021, 5, 014204. [CrossRef]

5. Кониг, М.; Wiedmann, S.; Brune, C.; Рот, А.; Buhmann, H.; Molenkamp, ​​LW; Qi, XL; Zhang, SC Квантово спиново състояние на изолатор на Хол в квантови ямки HgTe. Наука 2007, 318, 766–770. [CrossRef] [PubMed]

6. Ву, С.; Фатеми, В.; Gibson, QD; Уатанабе, К.; Танигучи, Т.; Кава, RJ; Jarillo-Herrero, P. Наблюдение на квантовия спин ефект на Хол до 100 Келвина в монослоен кристал. Наука 2018, 359, 76–79. [CrossRef]

7. Лима, LR; Lewenkopf, C. Разрушаване на топологична защита, дължащо се на немагнитно разстройство на ръба в двумерни материали във фазата на квантовия спин на Хол. Phys. Rev. B 2022, 106, 245408. [CrossRef]

8. Нгуен, NM; Куоно, Г.; Ислям, Р.; Autieri, C.; Хайарт, Т.; Brzezicki, W. Незащитени ръбови режими в кандидат-материали за квантов спин Хол изолатор. arXiv 2022, arXiv:2209.06912. [CrossRef]

9. Пол, Т.; Becerra, VF; Hyart, T. Взаимодействие на квантовия спинов ефект на Хол и спонтанно нарушаване на симетрията на обръщане на времето в двойни слоеве електрон-дупка I: Транспортни свойства. arXiv 2022, arXiv:2205.12790. [CrossRef]

10. Väyrynen, JI; Голдщайн, М.; Gefen, Y.; Glazman, LI Съпротивление на спирални ръбове, образувани в полупроводникова хетероструктура. Phys. Rev. B 2014, 90, 115309. [CrossRef]

11. Dietl, T. Зарядните добавки контролират квантовия спин Хол материали. arXiv 2022, arXiv:2206.01613.

12. Ванучи, Л.; Олсен, Т.; Thygesen, KS Проводимост на квантовите спинови ръбови състояния на Хол от първите принципи: критичната роля на магнитните примеси и разсейването между ръбовете. Phys. Rev. B 2020, 101, 155404. [CrossRef]

13. Езава, М.; Nagaosa, N. Интерференция на топологично защитени крайни състояния в силиценовите наноленти. Phys. Rev. B 2013, 88, 121401. [CrossRef]

14. Дас, Б.; Сен, Д.; Mahapatra, S. Регулируеми квантови спинови състояния на Хол в ограничени дихалкогениди на 1T'преходни метали. Sci. Rep. 2020, 10, 6670. [CrossRef]

15. Надим, М.; Zhang, C.; Кълсер, Д.; Хамилтън, Арканзас; Фюрер, MS; Wang, X. Оптимизиране на топологичното превключване в ограничени 2D-Xene наноленти чрез ефекти с краен размер. Приложение Phys. Rev. 2022, 9, 011411. [CrossRef]

16. Ши, Б.; Танг, Х.; Песен, З.; Li, J.; Xu, L.; Лиу, С.; Янг, Дж.; Слънце, X.; Quhe, R.; Янг, Дж.; et al. Фазов преход и топологични транзистори на базата на монослойни Na3Bi наноленти. Наномащаб 2021, 13, 15048–15057. [CrossRef]

17. Vandenberghe, WG; Fischetti, MV Несъвършени двумерни топологични изолаторни полеви транзистори. Нац. Общ. 2017, 8, 14184. [CrossRef]

18. Моле, А.; Goldberger, J.; Houssa, M.; Xu, Y.; Джан, SC; Akinwande, D. Закопчани двуизмерни листове Xene. Нац. Матер. 2017, 16, 163–169. [CrossRef]

19. Qian, X.; Liu, J.; Фу, Л.; Li, J. Квантов спин ефект на Хол в двумерни дихалкогениди на преходни метали. Наука 2014, 346, 1344–1347. [CrossRef]

20. Колинс, JL; Тадич, А.; Wu, W.; Gomes, LC; Родригес, JN; Liu, C.; Hellerstedt, J.; Ryu, H.; Танг, С.; Mo, SK; et al. Настроен на електрическо поле топологичен фазов преход в ултратънък Na3Bi. Nature 2018, 564, 390–394. [CrossRef]

21. Фокасио, Б.; Schleder, GR; Pezo, A.; Коста, М.; Fazzio, A. Устройство с двоен топологичен изолатор с устойчивост на разстройство. Phys. Rev. B 2020, 102, 045414. [CrossRef]

22. Xu, Y.; Чен, YR; Wang, J.; Liu, JF; Ma, Z. Квантувано тунелиране на ефекта на полето между състояния на топологичен ръб или интерфейс. Phys. преп. Лет. 2019, 123, 206801. [CrossRef] [PubMed]

23. Син, YW; Коен, ML; Луи, С. Г. Полуметални графенови наноленти. Nature 2006, 444, 347–349. [CrossRef]

24. Афзалиан, А.; Pourtois, G. Atomos: Решател за атомистично моделиране за дисипативен dft транспорт в ултра мащабирани hfs2 и MOSFET с черен фосфор. В сборника на Международната конференция за симулация на полупроводникови процеси и устройства през 2019 г. (SISPAD), Удине, Италия, 4–6 септември 2019 г.; стр. 1–4.

25. Afzalian, A. Ab initio перспектива на ултра-мащабирана CMOS от 2d материални основи до динамично легирани транзистори. NPJ 2D Матер. Приложение 2021, 5, 5. [CrossRef]

For more information:1950477648nn@gmail.com