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RESCU亮点文章:摩尔条纹对双层扭转黑磷载流子迁移率的影响
来源:https://journals.aps.org/prb/abstract/10.1103/PhysRevB.96.195406  发布时间:2017-11-24  发布人:xiuxiuli

引言

        由二维材料堆叠而成的范德瓦尔斯异质结大大扩展了具有独特性质的二维材料相空间。但是在实验上制备范德瓦尔斯异质结的过程中,由于存在于两层之间的较小的晶格失配和相对转动,会在范德瓦尔斯异质结中引入摩尔条纹。并且摩尔条纹也会对范德瓦尔斯异质结的性质造成影响,如,诱导一些新奇的电子性质。本文以双层扭转黑磷结构为例,探讨了摩尔条纹对其电子和输运性质的影响。

成果简介

        同时存在于双层扭转黑磷结构中的四种不同的局部的高对称堆叠方式可以看成周期性分布于二维双层结构中的杂质,简称摩尔杂质。通过对双层扭转黑磷电子结构的研究发现,摩尔杂质引发价带顶与导带低处实空间波函数的局域化现象,从而在能带结构中形成了平能带而极大的影响了载流子迁移率。载流子迁移率的计算结果表明扭转角度1.8度时,电子迁移率急剧减少;而继续增大扭转角度电子迁移率又会扭转角度增大而增大。但是,空穴迁移率的变化并不明显。这为调控载流子迁移率提供了有效的方式。

        由于摩尔条纹的尺寸正比于扭转角度的倒数,所以本文计算原胞包含900-8000个原子。这对于一般的电子结构计算程序而言是很难实现的,因为一般的电子结构计算程序仅仅可以计算几百个原子的体系,在计算几千个原子的系统时遇到了瓶颈。拥有先进的数值运算和并行算法的RESCU不但可以实现几千个原子的计算,而且计算时间也是相当可观的。RESCU利用切比雪夫滤波的技术和新型算法,避免全希尔伯特空间求解KS-DFT本征值,使上千原子大体系计算得以实现;此外,RESCU直接在实空间格点上求解KS-DFT,可以大大提高并行效率。

图文导读

 

图一 (a)双层扭转黑磷,(b)四种不同的高对称局部堆叠方式。

 

        图二 (a)扭转角度为2.7度时双层扭转黑磷的电子结构,(b,c)扭转角度为2.7度时双层扭转黑磷的导带底和价带顶的波函数的空间分布,黑色方框中表示的是扭转角度为2.7度时双层扭转黑磷的超胞,(d,e)分别为(b)(c)中超胞的放大图。

        图二中,在与实空间x方向对应的倒空间Γ-X和S-Y方向上的能带中,导带底和价带顶都出现了平的能带,这些平的能带暗示了局域电子态。并且与电子结构对应,导带底的波函数在所有的方向都存在明显的局域性,价带顶的波函数在x方向存在明显的局域性。如果把四种不同的高对称局部堆叠方式看成摩尔杂质,那么这些局域电子态就可以直观的被看成这些摩尔杂质的摩尔杂质能带。对比图二和图一可以看出导带底局域电子态主要源自于AB’堆叠方式和其附近的过渡区域,而价带顶的局域电子态主要源自于AA和AB堆叠方式。相同的情况也可以在双层扭转黑磷结构中的其它扭转角度发现。

 

图三 扭转角度为1.8、2.2、3.6、5.4度时双层扭转黑磷的电子结构。

 

图四 扭转角度为1.8、2.2、3.6、5.4度时双层扭转黑磷的导带底和价带顶的波函数的空间分布。

 

 

图五 沿扶手椅型方向(y方向)的载流子迁移率。

        此外,康鹏博士等人还用形变势模型下载流子迁移率的推导公式:

计算了不同扭转角度下的双层扭转黑磷的载流子迁移率。因x方向电子的局域性较强,我们只计算了y方向的载流子的迁移率。图五的计算结果来看,扭转角度对电子的迁移率有较大的影响,而空穴迁移率几乎不受扭转角度的影响。相应的解释可以从图四中得到,从图四中可以看出扭转角度对导带底的波函数y方向的局域性影响明显,甚至在较大的扭转角度时,导带底的波函数在y方向的局域性消失,得到较高的电子的迁移率。

小结

        本文的亮点在于通过使用电子结构计算程序RESCU,计算了双层扭转黑磷的超胞(900-8000个原子)结构,避免了形变对双层扭转黑磷电子结构的影响。探究了摩尔条纹对双层扭转黑磷体系的影响,发现了该体系中由摩尔杂质引发的波函数局域化现象,进而解释了载流子迁移率随角度急剧变化的原因。这为调控载流子迁移率提供了有效的方式。

 

原文链接:https://journals.aps.org/prb/abstract/10.1103/PhysRevB.96.195406

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