Elektronų fononų sklaidos, baigtinio dydžio ir šoninio elektrinio lauko įtaka topologinių izoliatorių transportavimo savybėms: pirmieji kvantinio transportavimo principai

Santrauka:

Mes tiriame kraštinės būsenos transportavimą dvimačiuose topologiniuose izoliatoriuose, naudodamiesi nepusiausvyros Greeno funkcijos modeliavimu kartu su pirmojo principo tankio funkcine teorija. Tiriame elektronų ir fononų sujungimo poveikį nešiklio transportavimui per dviejų plačiai žinomų topologinių izoliatorių su skirtingais tūriniais tarpais, būtent staneno ir bismuteno, apsaugotas būsenas. Pastebime, kad transportavimą topologiniame izoliatoriuje su mažu tūriniu tarpu (pvz., stanenu) gali stipriai paveikti elektronų ir fononų sklaida, nes tūrinės būsenos išsiplečia į tūrinį tarpą. Tačiau bismutene, turinčiame didesnį tūrinį tarpą, pastebimas žymiai didesnis atsparumas elektronų ir fononų sklaidai. Siekiant sušvelninti neigiamą mažo tūrio tarpo poveikį, staneno juostose tiriami baigtinio dydžio efektai. Tūrinis tarpas padidėja itin siaurose staneno juostose, tačiau transportavimo rezultatai neparodė, kad sklaidos atvejis pagerėjo, nes išsiplėtusių masinių tarpų būsenos nėra pakankamai lokalizuotos. Norėdami ištirti taikymą, mes taip pat panaudojome topologines izoliacines juostas kaip lauko efekto tranzistorių su šoniniais užtvarais, sukuriančius šoninį elektrinį lauką, medžiagą. Mūsų rezultatai rodo, kad šoninis elektrinis laukas gali pasiūlyti dar vieną būdą manipuliuoti kraštinėmis būsenomis ir netgi atverti spragą staneno juostose, todėl balistiniu atveju ION / IOFF yra 28. Šie rezultatai atskleidė galimybes ir iššūkius kuriant topologinių izoliatorių lauko efekto tranzistorius.

Nėra tiesioginio ryšio tarp topologinio izoliatoriaus lauko poveikio ir imuniteto. Topologiniai izoliatoriai yra naujos rūšies kvantinės medžiagos, pasižyminčios tam tikromis unikaliomis elektroninėmis savybėmis, tokiomis kaip paviršiaus būsenos ir kvantinis Holo efektas ir kt. Šios savybės yra plačiai taikomos elektronikoje ir spintronikoje. Imunitetas reiškia organizmo gebėjimą atsispirti išorinių patogenų invazijai. Ryšys tarp jų nėra aiškus, ir jokie susiję tyrimai neparodo, kad tarp jų yra ryšys. Šiuo požiūriu turime atkreipti dėmesį į savo imuniteto gerinimą. Cistanche turi didelį poveikį imuniteto gerinimui, nes Cistanche gausu įvairių antioksidacinių medžiagų, tokių kaip vitaminas C, vitaminai, karotenoidai ir kt. Šie ingredientai gali sunaikinti laisvuosius radikalus ir sumažinti oksidaciją. Stresas, gerina imuninės sistemos atsparumą.

Spustelėkite cistanche naudą sveikatai

Raktiniai žodžiai:

atomistinis modeliavimas; topologiniai izoliatoriai; kvantinis transportas; mažų matmenų medžiaga.

1. Įvadas

Topologiniai izoliatoriai (TI) yra medžiagų klasė, pasižyminti unikaliomis transportavimo savybėmis. Dvimatės (2D) TI turi spiralinės briaunos būsenas, kurios yra apsaugotos nuo elastingo atgalinio sklaidos [1, 2]. Draudžiama atgalinė sklaida yra susijusi su masine elektronine struktūra ir laiko apsisukimo simetrija. Net ir esant netobulumams (pvz., defektams), briaunų būsenų apsauga išlieka [3,4].

Kaip svarbus žingsnis, spiralinių būsenų kvantuotas laidumas turėtų būti stebimas eksperimentiškai. Tai buvo sudėtinga, o sėkmė apsiribojo labai žema temperatūra arba trumpu apsaugos ilgiu [5, 6]. Tai buvo siejama su skirtingais atgalinės sklaidos mechanizmais, tokiais kaip krašto sutrikimas [7], neapsaugotos mažos energijos kraštų būsenos [8], spontaniškas laiko pasikeitimo simetrijos lūžis [9], krūvio balos, kurios sulaiko kraštą [10], užpildai [10]. 11], ir fonono sklaida [12]. Visų pirma, daugumoje ankstesnių darbų buvo neatsižvelgta į elektronų ir fononų sklaidos poveikį TI transportavimo savybėms.

Kvantinio uždarymo poveikis elektroniniam rekvizitui

buvo ištirtos kelių 2D TI partijos [13–15]. Be to, naudojant Kane-Mele Hamiltonian [15], buvo ištirtas baigtinio dydžio poveikis vartų sukeltam fazių perėjimui 2D ksenuose. Kvantinis uždarymas gali padidinti tūrinį tarpą, taip pat tarpo atsivėrimą metalinių kraštų būsenose dėl hibridizacijos tarp būsenų, atitinkančių du priešingus juostos kraštus [16]. Tačiau zigzaginių kseno juostelių kirtimo taškas ir kirtimo taškas yra skirtingose ​​impulsų erdvės vietose, o kraštinės būsenos šiose juostose išlieka be tarpų, nepaisant baigtinio kraštų sutapimo [15]. Be to, tikimasi itin siaurų zigzaginių Xenes kritinio elektrinio lauko sumažėjimo [15]. Norint geriau suprasti šias savybes, reikia ištirti itin siaurų Xene juostelių transportavimo savybes.

2D TI taikymas lauko efekto tranzistoriuose (TI-FET) buvo plačiai ištirtas ir buvo pasiūlyta keletas perjungimo mechanizmų. Buvo pasiūlyti ir ištirti TI-FET, pagrįsti sklaidos moduliavimu, naudojant Kane-Mele griežto surišimo (TB) Hamiltono metodą [3,17]. Šiuo atveju Fermio lygio poslinkis iš apsaugotų būsenų į neapsaugotas būsenas lemia sklaidos efektų sustiprėjimą, todėl srovė yra mažesnė. Buvo pranešta apie dviejų dydžių eilučių įjungimo ir išjungimo srovės santykį netobulai staneno juostai su optimizuotu defektų tankiu balistiniame režime, naudojant TB ir nepusiausvyrinės Greeno funkcijos (NEGF) formalizmą [3].

Be to, vartų sukeltas elektrinis laukas gali sukelti topologinį fazės perėjimą ir atverti tarpą metalinių briaunų būsenose. Teoriškai ir eksperimentiškai buvo pranešta apie tokio perėjimo kritinį elektrinį lauką keliems TI. Pavyzdžiui, buvo pranešta apie 1 V/nm staneno [18], 1,42 V/nm 1T'-MoS2 [19] ir 1,1 V/nm Na3Bi [20] kritinius laukus, kurie visi yra nepageidautinai dideli. Be to, nors šiuose vienasluoksnio sluoksnio laukuose vyksta fazinis perėjimas, pakankamas tarpas gali atsidaryti tik esant dar didesniam elektriniam laukui nanojuostoje (NR).

Ankstesniame darbe atominis modeliavimas buvo naudojamas tiriant TI-FET, pagrįstus neplokštuminiu elektrinio lauko sukeltu fazės perėjimu 1,28 nm pločio Na3Bi juostose [16]. Autoriai pranešė, kad įjungimo / išjungimo srovės santykis yra 6/4, kai V poslinkis yra 0.05 V / 0,1 V, atitinkamai. Modeliavimas buvo atliktas balistiniu atveju ir kanalo ilgiu 2, 7 nm. Be to, norint išjungti TI-FET, reikėjo maždaug 20 V diferencinės įtampos Vdiff (tarp viršutinio ir apatinio elektrodo, atitinkamai Vtop ir Vbottom). Kitame darbe, paremtame Na3Bi juostelėmis, elektrinio lauko naudojimas yra susietas su esminiais defektais, siekiant pagerinti įrenginio veikimą filtruojant sutrikimus [21].

Be to, skersinis elektrinis laukas gali pasiūlyti kitą būdą sukurti skersinį tunelinį tranzistorių, pasinaudojant tokio lauko moduliuojamu tarpkraštiniu tuneliu [22]. Be to, šoninis elektrinis laukas, taikomas per kraštus, gali būti naudojamas manipuliuoti kraštiniais kanalais [23]. Palyginti su kitais perjungimo mechanizmais, mažiau dėmesio skirta šoninių vartelių taikymui TI įrenginiuose.

Čia mes panaudojome tankio funkcine teorija (DFT) pagrįstą NEGF, įdiegtą mūsų ATOmistiniame modeliavimo sprendime (ATOMOS) [24, 25], kad ištirtume elektronų-fonono (e-ph) sklaidos įtaką kraštinės būsenos transportavimui TI. Modeliavimas apima plačias juosteles, sunkius elementus ir sukimosi ir orbitos jungtį. Todėl naudojome Hamiltono dydžio mažinimo metodą, žinomą kaip režimo erdvės (MS) transformacija, kad sumažintume skaičiavimų naštą [26–28]. Naudodami ATOMOS, ištyrėme baigtinio dydžio poveikį zigzaginių staneno juostelių, kaip mažo tūrinio tarpo TI, transportavimo savybėms ir ištyrėme lauko efekto tranzistoriaus, veikiančio remiantis šoniniu elektriniu lauku, įvestu šoninių vartų, koncepciją.

2 skyriuje apibendriname mūsų modeliavime naudotus skaičiavimo metodus. Rezultatus pristatome ir aptariame 3 skyriuje, o baigiame 4 skirsnyje.

2. Medžiagos ir metodai

Pirmųjų principų skaičiavimai DFT pagrindu atlikti naudojant OpenMX modeliavimo įrankį [29,30]. Apibendrintas gradiento aproksimacija (GGA) ir pseudoatominių orbitinių bazinių funkcijų rinkiniai Bi8.0-s3p2d2 ir Sn11.0-s3p2d2 buvo naudojami juostos struktūros skaičiavimams ir geometrijos atpalaidavimui atlikti. Buvo įtraukta sukimosi ir orbitos jungtis. K-taško tinklelis buvo 12 × 12 × 1 bekraštiniams (periodiškai begaliniams) vienasluoksniams sluoksniams ir 14 × 1 × 1 kraštinėms nanojuostoms. Krūvio tankiui buvo naudojama 200 Ry ribinė energija. Buvo pritaikytas vienodas išorinis elektrinis laukas pjūklo bangos formoje. Manoma, kad maždaug 15 Å vakuumas nutraukia periodinį vaizdą neperiodinėmis kryptimis. Impulso (k) išspręstas sukimosi padalijimas buvo gautas naudojant papildomo apdorojimo kodą „kSpin“ [30]. Visos struktūros buvo visiškai atpalaiduotos, kai atominės jėgos konvergencijos kriterijus buvo 10–3 eV / Å.

Hamiltono ir persidengimo matricos elementai, gauti iš DFT modeliavimo, buvo naudojami norint sukurti visą Hamiltono įrenginį. DFT pagrįsti NEGF skaičiavimai buvo atlikti nuosekliai naudojant ATOMOS. Visa modeliavimo procedūra yra išsamiai aprašyta [25, 31]. Modeliavimui pritvirtinti buvo naudojamas MS metodas [27]. Sklaidos savaiminės energijos buvo skaičiuojamos ne režimo erdvėje naudojant formos faktoriaus metodą, o tiesiogiai realioje erdvėje, naudojant aukštyn konvertuotas mažesnes ir didesnes Greeno funkcijas, po to sklaidos savaiminės energijos konvertavimas žemyn į režimo erdvę [32] ,33].

Naudojome savaime nuoseklų Born aproksimaciją, pagrįstą DFT apskaičiuotomis deformacijos potencialo konstantomis ir darant prielaidą, kad fononai yra pusiausvyros [32, 33], norėdami ištirti elektronų ir fononų sklaidos poveikį nešiklio transportavimui TI. Buvo pranešta, kad reikia atsižvelgti tik į akustinį fononų sklaidą stane, nes (neelastingų) optinių fononų sklaidos greitis yra žymiai mažesnis [34]. Be akustinių elastingų fononų, čia taip pat atsižvelgėme į silpną optinį fononų sklaidos mechanizmą su pastoviais parametrais visuose modeliavimuose (išskyrus balistinio transporto modeliavimą). Optinės deformacijos konstanta buvo nustatyta 4 eV/nm, o pastovi fonono energija 49 meV.

Pranešama, kad laisvai stovinčio vienasluoksnio staneno, kurio paviršiaus funkcionalizacija yra jodas, akustinės deformacijos potencialo konstanta yra 27 eV skersiniams ir išilginiams akustiniams fononams [34]. Šiame darbe mūsų tikslas yra kiekybiškai įvertinti apsaugos nuo atgalinio sklaidos buvimą ar nebuvimą, atsižvelgiant į TI medžiagos savybes (pvz., tūrinį tarpą), ir ištirti, kaip ją veikia sklaidos parametrai. Tuo tikslu pakeitėme akustinės deformacijos potencialą nuo 0 iki 80 eV, ty žymiai mažesnį ir didesnį nei apskaičiuota laisvai stovinti vertė (27 eV). Kiekybinis įvertinimas, kiek čia nagrinėjamų medžiagų sklaidos parametrus paveiktų vartų oksidas ar kitos sąsajos ar defektai, čia nebuvo svarstomas ir nepatenka į šio dokumento taikymo sritį.

Norėdami ištirti elektronų ir fononų sklaidos, uždarumo ir elektrinio lauko poveikį, mes sutelkėme dėmesį į du plačiai ištirtus kseno TI – staneną (kurio tūrinis tarpas yra {{0}},17 eV [17]) ir bismuteną. (su 0,5 eV tūriniu tarpu [4]).

3. Rezultatai

3.1. Staneno ir bismuteno zigzaginės nanojuostelės

Čia palyginame elektronų ir fononų sklaidos įtaką dviejų ksenų (staneno ir bismuteno), kurie yra gerai žinomi topologiniai izoliatoriai su skirtingais tūriniais tarpais, transportavimo savybėms. Norint ištirti krašto būsenos transportavimą, nagrinėjami šių dviejų medžiagų zigzaginiai nanojuostai.

3.1.1. Režimas Erdvės pagrindas

Kuriant Hamiltono įrenginį, naudojamas režimo erdvės (MS) metodas. Naudojant šį metodą, Hamiltono dydis žymiai sumažinamas, o juostos struktūra tiksliai atkuriama dominančiame energijos lange. 1a paveiksle parodyta režimo erdvės juostos struktūra, gauta naudojant 4 nm pločio zigzago staneno juostelę. Mėlyni ir raudoni taškai žymi juostas, apskaičiuotas atitinkamai su realiąja erdve (RS) ir režimo erdve Hamiltoniečiai. Tamsintas žalias regionas rodo dominantį energijos langą. Šiame energijos lange yra apsaugotos krašto būsenos, taip pat keletas neapsaugotų masinių juostų. Šio energijos lango pakanka mūsų modeliavimui, nes stanenui naudojama nutekėjimo poslinkio įtampa (VDD) bus maža, kad būtų užtikrintas transportavimas mažame tūrio tarpelyje. Apsaugotų juostų spiralinė sukimosi tekstūra sukuria sukimosi momento fiksavimą, kuris trukdo elastingam atgaliniam sklaidymui juostelėje [35]. Atrodo, kad šios 4 nm pločio struktūros tūrinės juostos tarpas yra 0,34 eV. Dėl izoliacijos efektų, kuriuos toliau aptarsime kitame skyriuje, jis yra didesnis nei vieno sluoksnio tūrinės juostos tarpas.

1b paveiksle parodyta 7 nm pločio zigzago bismuteno juostelės, gautos iš RS ir MS Hamiltoniečių, juostos struktūra. Tūrinės juostos tarpas yra ~0,55 eV. 7 nm dydis yra pakankamai platus, kad tūrio tarpo vertė artėtų prie vieno sluoksnio. Kaip parodyta 1b paveiksle, pasirinktas energijos langas apima tik krašto būsenas. Taip yra todėl, kad bismuteno tūrinis tarpas yra didesnis, o sureguliavę tiek nutekėjimo poslinkį, tiek Fermio lygį, galime tikėtis, kad transportavimas vyks tik per kraštines būsenas.

3.1.2. Elektronų ir fononų sujungimo poveikis

Norėdami ištirti e-ph sujungimo poveikį, mes apsvarstėme TI-FET įrenginį, pavaizduotą 2a paveiksle. Konstrukcija susideda iš TI juostelės (staneno arba bismuteno), uždengtos viršutiniais ir apatiniais vartais. Vartai moduliuoja Fermi lygį. Jei Fermi lygis yra tūrio tarpo viduje, vežėjai transportuoja per apsaugotas briaunas. Kai Fermi lygis yra už birių krovinių tarpo ribų, birių krovinių laivai dalyvauja srovėje, todėl vyksta išsisklaidymas. Kanalo ilgis (Lch) yra 10 nm visoms šio darbo struktūroms. Staneno NR nutekėjimo poslinkis yra 50 mV. Nutekėjimo poslinkis pasirinktas mažas dėl mažo staneno tarpo.

Sukūrus Hamiltono įrenginį ir atlikus savaime nuoseklius NEGF modeliavimus su ATOMOS, gaunamas vietinis būsenos tankis (LDoS). LDoS išgaunamas iš įrenginio vidurio. Didėjant vartų įtampai Vg, juostos pasislenka žemyn. Esant Vg=0.4 V, visas Fermi langas (tamsintas plotas 2b paveiksle) yra padengtas apsaugotų briaunų būsenų. 2b paveiksle parodytas kairiojo krašto atomų (atomai nuo 1 iki 5), vidurinių atomų (atomai nuo 6 iki 17) ir dešiniojo krašto atomų (atomai nuo 18 iki 22) indėlis į LDOS ties Vg=0.4 V. Galima pastebėti, kad mažos energijos būsenos tūrinio tarpo viduje yra lokalizuotos juostos kraštuose, o už tarpo esančios būsenos, taip pat didelės energijos būsenos tūrinio tarpo viduje yra delokalizuotos.

E-ph sklaidos įtraukimas į modeliavimą lemia tipišką tūrinių būsenų išplėtimą į tūrinį tarpą ir atitinkamai į Fermi langą [35]. Čia atsižvelgiama į akustinį fonono sklaidą ir palyginamos skirtingos efektyviosios deformacijos potencialo konstantos (DAC), kad būtų parodytas skirtingas e-ph sujungimo stiprumas. Didėjant DAC, Fermi langas yra visiškai padengtas išplėstomis, neapsaugotomis DAC=6 eV būsenomis [35]. Todėl išsklaidymas atgal nėra apsaugotas, nes saugomos būsenos negali būti izoliuotos. Dėl to pastebimas srovės pablogėjimas.

Kita vertus, bismutenas turi didesnį tūrio tarpą. Modeliavimas su tokia pačia struktūra ir vartų sąranka, kaip parodyta 2a paveiksle, buvo atliktas naudojant 7 nm pločio bismuteno zigzago nanojuostos. Bismutenui buvo svarstytas didesnis šaltinio ir nutekėjimo poslinkis – 0,2 V. Vartų darbo funkcijos buvo pakoreguotos, kad būtų pasiektas toks pat laidumo juostos poslinkis, palyginti su plokščia juosta esant Vg=0 V abiem kanalų medžiagoms. Esant Vg=0.4 V, abiem atvejais Fermi langą dengia apsaugotos briaunos. Kadangi bismutenas turi didesnį tūrinį tarpą, saugomų būsenų krašto lokalizacija bismutene išsaugoma net 40 eV DAC [35]. Taigi tikimasi, kad bismutenas turi geresnį atsparumą e-ph sujungimui. Skaičiuojamos staneno ir bismuteno bei WS2 monosluoksnio (H fazės) konstrukcijų srovės parodytos 2c paveiksle. Deformacijos potencialui padidėjus nuo 0 iki 10 eV, pastebimas svarbus staneno ir WS2 monosluoksnių srovės pablogėjimas, o bismuteno transportavimas beveik nepaveikiamas.

Kadangi pagrindinės dabartinės degradacijos (o ne tuneliavimo nuo krašto iki krašto) priežastys yra masinių būsenų išplėtimas ir mažas staneno tarpas, šios problemos neišspręsite padidinus juostos plotį. Priešingai, sumažinus plotį dėl kvantinio uždarymo gali padidėti didelis tarpas. Tai, savo ruožtu, gali sustiprinti staneno juostelės transportavimo atsparumą e-ph sklaidai ir bus ištirta kitame skyriuje.

3.2. Itin siauros juostelės

Trys pagrindinės charakteristikos buvo susietos su itin siaurais kseno nanojuostos naudojant Kane-Mele Hamiltonian [15]. Pirma, pločio sumažėjimas padidina tūrinį tarpą. Mūsų DFT modeliavimas, parodytas 3a paveiksle, rodo, kad tūrinis tarpas padidėjo nuo 0,21 eV, kai W=6 nm, iki 0,52 eV, kai W=2,5 nm zigzago staneno juostoje. Antra, kirtimo taškas (kraštinių būsenų Dirako taškas) ir prieškirtimo taškas (masyvios Dirako dispersijos impulsas) yra skirtingose ​​impulsų erdvėse. Fazių perėjimas iš nereikšmingo į trivialų įvyksta, kai kirtimo taškas juda link priešpriešinio kirtimo taško, o tarpas atsidaro, kai šie taškai egzistuoja toje pačioje impulsų erdvėje su dideliu būsenų sutapimu. Būsenos impulsų erdvėje, esančios šalia anti-kirtimo taško, turi baigtinį tarpkraštinį persidengimą toje pačioje impulso erdvėje, o tai atveria tarpą. Įvedus suvaržymo efektus, priešpriešinis kirtimo taškas priartėja prie kirtimo taško esant laiko apvertimo invariantiniam momentui (TRIM). Dėl to sumažėja topologinės fazės perėjimo kritinis elektrinis laukas.

Trečia, vartų sukeltas fazinis perėjimas gali įvykti neuždarius masinio tarpo dėl kvantinio uždarymo efektų. Be to, ypač siauru atveju, prieš briaunų būsenoms pasiekiant laidumo slėnius, atsiranda tarpas. Dėl šių trijų savybių itin siauros juostelės gali būti naudojamos topologiniuose įrenginiuose.

Ankstesnėje dalyje buvo parodyta, kad dėl nedidelio staneno tūrio tarpo jis neapsaugotas nuo sklaidos, dėl kurios išplečiama masė. Kyla klausimas, ar staneno (kaip kseno pavyzdžio) tūrio tarpo padidinimas su baigtinio dydžio efektais gali išspręsti šią problemą. Norėdami atsakyti į šį klausimą, tyrinėjame itin siaurų staneno juostelių transportavimo savybes.

Mes naudojame 2,5 nm pločio zigzago juostelę iš staneno kaip kanalo medžiagą 2a paveiksle pavaizduotai struktūrai. LDOS kintamoms vartų įtampoms parodytas 3b paveiksle. Vidurinių ir kraštinių atomų indėlis parodytas atskirai. Galima pastebėti, kad nors tūrinis tarpas padidėjo, būsenos, turinčios didesnę energiją tūriniame tarpelyje, nėra lokalizuotos, o viduriniai atomai prisideda prie šių būsenų (būsenos 3b paveiksle užtamsintame regione, dengiančios nuo E { {5}}.05 eV į E=0.2 eV). Todėl, nors tūrinės būsenos išplėtimas neapims viso tūrinio tarpo, prastai lokalizuotos būsenos leidžia sklaidą. Tik mažas 0,15 eV energijos langas yra gerai lokalizuotas kraštuose, ir atrodo, kad šio lango plotis beveik neturi įtakos juostos pločio svyravimams. Dėl to srovė pablogėja, o sklaida yra panaši į 4 nm pločio juostelės sklaidą (3c pav.), net jei delokalizuotos būsenos yra skirtingose ​​​​momento erdvėse (3a pav.). Tai rodo, kad itin siauruose TI, nepaisant didesnio tūrio tarpo, transportavimo savybės atitinkamai nepagerėja. Tačiau vartų valdymas vis tiek gali būti optimizuotas naudojant plonesnes juosteles, nes sumažėjo kritinis laukas ir perėjimas nereikia uždaryti masinio tarpo. Be to, buvo atliktas modeliavimas su realios erdvės Hamiltonu, siekiant dar labiau patvirtinti dabartinį mūsų režimo erdvės modeliavimo pagrįstumą. Kaip parodyta 3c paveiksle, buvo pastebėtas geras susitarimas.

Norint ištirti e-ph sklaidos poveikį spiraliniam krašto būsenos transportavimui, 4 paveiksle pavaizduota sukimosi išskyrimo atomas-atomas srovė. Verta pažymėti, kad šioje sąrankoje VDD=0.05 V . Parodyta, kad į priekį judančios sukimosi aukštyn / žemyn srovės dažniausiai lokalizuotos priešinguose kraštuose (4a, b pav.). Tačiau juostelės centre ir priešingame krašte vyksta mažesnė krūvio perdavimo dalis. Tai rodo didžiųjų ir priešingų kraštų atomų indėlį į sukimosi aukštyn / žemyn būsenas tūriniame tarpe. 4c paveikslas rodo, kad šis indėlis didėja kartu su Vg ir transportavimas vyksta per labiau delokalizuotas būsenas. 4d paveiksle pavaizduoti atgal judantys besisukantys laikikliai, esantys priešingame besisukančio į priekį judančio kanalo krašte. Iš šių rezultatų galima spręsti apie sukimosi momento fiksavimą. Kadangi yra įtrauktas e-ph sklaida (4e, f pav.), į priekį judančių elektronų perdavimas sumažėja juostos krašte ir daugiausia viduryje, o tai rodo srovės pablogėjimą.

Be staneno, daug dėmesio sulaukė monosluoksniai ir dvisluoksniai Na3Bi. Eksperimentai parodė, kad Na3Bi monosluoksnių juostos tarpas yra 360 meV, taip pat palyginti mažas kritinis laukas – 1,1 V/nm [20]. Teoriškai buvo ištirti TI-FET, pagrįsti itin trumpomis, itin siauromis Na3Bi juostelėmis [16]. TI-FET, kuris remiasi tarpo atidarymu kaip perjungimo mechanizmu, be mažo kritinio lauko, juostos tarpas, atsidaręs po perėjimo, turėtų būti pakankamai didelis, kad veiksmingai užstotų srovę. Ankstesni darbai, pagrįsti DFT, parodė, kad platesnėse Na3Bi juostelėse (virš 6 nm) juostos tarpas, atsivėręs po perėjimo, yra mažas (mažesnis nei 0,2 eV). Tačiau plonesnės Na3Bi juostelės turi didesnius tarpus (apie 0,4 eV), posttopologinį fazės perėjimą. Todėl gali būti naudinga naudoti plonesnes Na3Bi juosteles, kad būtų išnaudotas didesnis tarpas po pereinamojo laikotarpio. Mūsų rezultatai rodo, kad esant mažesniam nei 4 nm pločiui, dėl izoliacijos poveikio atsiranda tarpas dėl būsenų persidengimo aplink Fermi lygį. Be to, nors tūrinis tarpas didėja mažėjant pločiui (5b, c pav.), tūrinio tarpo būsenos yra prastai lokalizuotos, panašios į staneną (pilkai tamsintas regionas 5c paveiksle). Atsivėręs tarpas ir didesnis vidurinių atomų indėlis į būsenas, esančias masinio tarpo viduje, kelia iššūkių naudojant itin siaurą Na3Bi TI-FET. Tačiau, jei naudojama platesnė Na3Bi juostelė, tarpas išjungtoje būsenoje (po perėjimo) yra tik apie 0,2 eV, o tai atrodo sudėtinga turėti mažo nuotėkio TI-FET, kuris veiktų remiantis elektrinio lauko sukeltu fazės perėjimu su Na3Bi. .

3.3. Elektrinio lauko sukeltas topologinis fazės perėjimas ksenuose

Topologinis perjungimas su vartais yra vienas iš mechanizmų, siūlomų valdyti transportą TI. Topologinis perjungimas gali įvykti esant statmenam neplokštuminiam elektriniam laukui, kuris uždaro ir vėl atidaro masinį tarpą. Kitas būdas manipuliuoti krašto būsenos pernešimu yra plokštumoje esančio skersinio elektrinio lauko taikymas. Čia tiriame taikomo šoninio lauko poveikį staneno ir bismuteno nanojuostelių transportavimui ir elektroninėms savybėms.

6 paveiksle pavaizduoti elektrinio lauko sukelti staneno ir bismuteno juostos dispersijos pokyčiai. 6a paveiksle parodyta, kad pritaikius neplokštuminį lauką (Ez), staneno zigzago juostelės kraštinėse būsenose X taške atsidaro tarpas. Tačiau neapsaugotos būsenos aplink Γ tašką taip pat persikelia į tarpą. . 6b paveiksle matome, kad šoninis laukas (Ey) taip pat atveria tarpą X taške, naudojant maždaug 10 × sumažintą lauką. Ey=6 eV/nm skirtumas yra maždaug 0,13 eV. Tačiau būsenos aplink Γ išlieka nepakitusios, nes jas daugiausia sudaro viduriniai atomai. Esant bismutenui, tiek šoniniai, tiek neplokštieji laukai perkelia apsaugotas ir neapsaugotas būsenas ir uždaro masinį tarpą (6c, d pav.). Uždarius masinį tarpą, sukinio poliarizuotų būsenų nebegalima atskirti. Todėl transportas bus neapsaugotas. Be to, atrodo, kad šoninis laukas turi didesnę įtaką energijos sklaidai, palyginti su Ez bismutene. Galima daryti išvadą, kad šoninis laukas gali suderinti juostos struktūrą kitaip nei neplokštuminis laukas, o kai kuriose medžiagose gali būti naudingiau naudoti šoninį lauką.

Šoninį lauką galima pritaikyti turint šoninius vartus, kuriuos toliau tiriame naudodami zigzago staneno juosteles (7a pav.). Čia pasirenkamas stanenas, nes taikant šoninį lauką atsiveria tarpas, kuris turėtų būti aptinkamas LDoS, gautame iš mūsų NEGF modeliavimo.

7b,c paveiksluose parodytas energijos skiriamosios srovės spektras atitinkamai Vkairei=0 ir Vkairei=4.4 V. Kitų vartų įtampa yra Vright=0 V. Be to, Lch=10 nm, VDD=0.05 V, o dopingo koncentracija 3 × 1020 cm− 3 įvedamas norint pakeisti Fermi lygį. Įrenginyje su Vkaire=4,4 V (7c pav.) pastebimas maždaug 0,1 eV tarpas, o tai patvirtina, kad tarpas atsidarė dėl išorinio šoninio elektrinio lauko.

LDOS centrinėje įrenginio plokštėje parodyta 7d paveiksle. Parodyta, kad kylant elektriniam laukui, kraštinių kanalų būsenos išlieka viename krašte (žr. 7d pav., Viršutinis paveikslas) ir LDOS atsidaro tarpas (Fermi lange, paryškintame tamsinta sritimi 7d paveiksle). 7d paveiksle parodyta, kad Fermi lange prieš tarpo atidarymą yra baigtinė LDOS reikšmė, nurodanti metalinių kraštų būsenų buvimą Fermi lange. Kai elektrinis laukas didėja, LDOS išnyksta Fermi lange (žr. 7d pav. Vg=4 V). Dėl šio tarpo srovė mažėja, o kambario temperatūroje ION/IOFF santykis gali būti maždaug 28 (7e pav.).

Naudojant vartų metalus su skirtingomis darbo funkcijomis, sukeliamas vidinis elektrinis laukas. Tai turėtų sumažinti slenksčio lauką, kurio reikia norint atidaryti spragą. 7d paveiksle parodyta, kad ties Vg=0 V kairiojo krašto atomų suformuotame LDoS jau yra stipri asimetrija, palyginti su dešiniojo krašto atomais Fermi lange. Tokį skirtumą sąlygoja skirtingų darbo funkcijų šoninių metalinių vartų sukeltas elektrinis laukas. 7e paveiksle parodyta, kad įmontuotas elektrinis laukas veiksmingai sumažina slenkstinę įtampą, reikalingą tarpo atidarymui. Vadinasi, tai gali būti naudingas metodas naudojant itin plonas TI juosteles (TI su dideliais tūriniais tarpais), nes fazių perėjimai vyksta neuždarius masinio tarpo. Tačiau kyla klausimas, ar transportavimo savybės yra palankios TI su įmontuotu elektriniu lauku. Kitaip tariant, ar sukimosi momento blokavimas ir apsaugotas transportas išsaugomi konkrečioje TI su įmontuotu lauku? Šis klausimas reikalauja išsamesnio tyrimo.

4. Diskusija

Ištyrėme elektronų ir fononų sujungimo poveikį dviejų ksenų transportavimo savybėms su nereikšmingomis topologinėmis fazėmis ir skirtingais tūriniais tarpais. Pastebėta, kad staneno juostelėje (0.17 eV tūrinis tarpas) e-ph sklaida sukėlė didelį srovės pablogėjimą. Taip buvo dėl to, kad tūrinės būsenos, turinčios didelį būsenų tankį, išsiplėtė į tūrinį tarpą. Dėl to sunaikinama saugomų būsenų krašto lokalizacija, net ir esant mažam deformacijos potencialui. Kita vertus, tiriant transportavimą per apsaugotas bismuteno būsenas (0,5 eV tūrinis tarpas), pastebimas žymiai didesnis atsparumas e-ph sklaidai.

Ankstesniame darbe buvo pasiūlyta, kad itin plona kseno juostelė būtų naudinga padidinus tūrinį tarpą, sumažinus kritinį elektrinį lauką ir fazinį perėjimą be tūrinio tarpo uždarymo [15]. Padidėjęs tūrinis tarpas gali pagerinti krašto būklės transportavimą stane. Taigi mes ištyrėme kvantinio uždarymo poveikį staneno zigzago juostelių transportavimo savybėms. Pastebėta, kad nepaisant reikšmingo tūrio tarpo padidėjimo (nuo 0.21 eV, kai W=6 nm, iki 0.52 eV, kai W=2.5 nm), tik nedidelis tarpo būsenų energijos langas yra tinkamai lokalizuotas. Dauguma didžiojo tarpo valstybių yra delokalizuotos, bet skirtingomis tempo erdvėmis. Panašios išvados buvo padarytos ir dėl Na3Bi. Įtraukus e-ph sklaidą, elektronai gali sklaidytis atgal. Dėl to imunitetas elektronų-fononų sklaidai beveik nepagerėja.

Galiausiai ištyrėme TI juostelių, veikiančių šoninius elektrinius laukus, elektronines ir transportavimo savybes. Buvo parodyta, kad šoninis laukas gali drastiškai pakeisti juostos struktūrą, ypač todėl, kad krašto atomai sudaro apsaugotas metalines būsenas. Ey panaudojimas atvėrė spragą stano juostelės metalinėse būsenose ir uždarė didžiąją bismuteno spragą. Naudojant šį tarpo moduliavimą, staneno TI-FET, kurio kanalo ilgis yra 10 nm, kambario temperatūroje rodo 28 ION/IOFF santykį. Slenkstinė įtampa, reikalinga norint atidaryti tarpą, rodo pagerėjimą, palyginti su anksčiau praneštais TI-FET. Integruoto elektrinio lauko naudojimas gali dar labiau sumažinti slenkstinę įtampą. Tačiau įmontuoto lauko poveikis TI transportavimo savybėms reikalauja išsamesnio tyrimo.

Autoriaus indėlis:

Konceptualizavimas, EA; metodika, AA ir EA; duomenų tvarkymas, EA ir AA; tyrimas, EA, AA ir MH; patvirtinimas, EA, AA ir MH; ATOMOS kodo kūrimas, įskaitant režimų erdvę, AA; vizualizacija, EA; rašymas – originalaus projekto rengimas, EA; rašymas – peržiūra ir redagavimas, AA ir MH Visi autoriai perskaitė ir sutiko su paskelbta rankraščio versija.

Finansavimas:

Dalį šiame darbe naudojamų skaičiavimo išteklių ir paslaugų suteikė VSC (Flandrijos superkompiuterių centras), finansuojamas Flandrijos tyrimų fondo (FWO) ir Flandrijos vyriausybės.

Institucinės peržiūros tarybos pareiškimas:

Netaikoma.

Informuoto sutikimo pareiškimas:

Netaikoma.

Duomenų prieinamumo pareiškimas:

Šiame tyrime pateikti duomenys yra straipsnyje ir yra prieinami pagrįstu atitinkamo autoriaus prašymu.

Interesų konfliktai:

Autoriai pareiškia, kad nėra interesų konflikto.

Nuorodos

1. Hasanas, MZ; Kane, CL Koliokviumas: Topologiniai izoliatoriai. Rev. Mod. Fizik. 2010, 82, 3045. [CrossRef]

2. Bansil, A.; Linas, H.; Das, T. Koliokviumas: Topologinės juostos teorija. Rev. Mod. Fizik. 2016, 88, 021004. [CrossRef]

3. Tiwari, S.; Van de Putas, ML; Sorée, B.; Vandenberghe, WG Nešiklio transportavimas dvimatėse topologinėse izoliatoriaus nanojuostose, kai yra laisvų darbo vietų defektų. 2D medžiaga. 2019, 6, 025011. [CrossRef]

4. Pezo, A.; Focassio, B.; Schleder, GR; Costa, M.; Lewenkopf, C.; Fazzio, A. Laisvų darbo vietų sutrikimo įtaka tikroviškų topologinių izoliatorių nanojuostelių elektroninio transportavimo savybėms: bismuteno atvejis. Fizik. Kunigas Mater. 2021, 5, 014204. [CrossRef]

5. Konigas, M.; Wiedmann, S.; Brune, C.; Roth, A.; Buhmann, H.; Molenkampas, LW; Qi, XL; Zhang, SC Quantum spin Hall izoliatoriaus būsena HgTe kvantiniuose šuliniuose. Mokslas 2007, 318, 766–770. [CrossRef] [PubMed]

6. Wu, S.; Fatemi, V.; Gibsonas, QD; Watanabe, K.; Tanigučis, T.; Cava, RJ; Jarillo-Herrero, P. Kvantinio sukimosi Holo efekto stebėjimas iki 100 kelvinų vienasluoksniame kristale. Mokslas 2018, 359, 76–79. [CrossRef]

7. Lima, LR; Lewenkopf, C. Topologinės apsaugos skilimas dėl nemagnetinių briaunų sutrikimo dvimatėse medžiagose kvantinio sukinio Hall fazėje. Fizik. Rev. B 2022, 106, 245408. [CrossRef]

8. Nguyen, NM; Cuono, G.; Islamas, R.; Autieri, C.; Hyart, T.; Brzezicki, W. Neapsaugoti briaunos režimai kvantinio sukimosi Hall izoliatoriaus kandidatų medžiagose. arXiv 2022, arXiv:2209.06912. [CrossRef]

9. Paulius, T.; Becerra, VF; Hyart, T. Kvantinio sukimosi Holo efekto ir spontaniško laiko apsisukimo simetrijos lūžimo elektronų skylių dvisluoksniuose sluoksniuose sąveika I. Transporto savybės. arXiv 2022, arXiv:2205.12790. [CrossRef]

10. Väyrynen, JI; Goldstein, M.; Gefenas, Y.; Glazman, LI Sraigtinių briaunų, susidariusių puslaidininkių heterostruktūroje, varža. Fizik. Rev. B, 2014, 90, 115309. [CrossRef]

11. Dietl, T. Įkrovimo priedai kontroliuoja kvantinio sukimosi Hall medžiagas. arXiv 2022, arXiv:2206.01613.

12. Vannucci, L.; Olsen, T.; Thygesen, KS Kvantinio sukinio laidumas Hall briaunos būsenos iš pirmųjų principų: esminis magnetinių priemaišų ir tarpkraštinės sklaidos vaidmuo. Fizik. Rev. B 2020, 101, 155404. [CrossRef]

13. Ezawa, M.; Nagaosa, N. Topologiškai apsaugotų briaunų būsenų trukdžiai silicio nanojuostose. Fizik. Rev. B, 2013, 88, 121401. [CrossRef]

14. Das, B.; Sen, D.; Mahapatra, S. Derinamos kvantinio sukimosi Hall būsenos ribotuose 1T pereinamojo metalo dikalkogeniduose. Sci. Rep. 2020, 10, 6670. [CrossRef]

15. Nadeem, M.; Zhang, C.; Culcer, D.; Hamiltonas, AR; fiureris, MS; Wang, X. Topologinio perjungimo optimizavimas uždarose 2D-Xene nanojuostose naudojant baigtinio dydžio efektus. Appl. Fizik. Rev. 2022, 9, 011411. [CrossRef]

16. Ši, B.; Tangas, H.; Daina, Z.; Li, J.; Xu, L.; Liu, S.; Yang, J.; Saulė, X.; Kuhe, R.; Yang, J.; ir kt. Faziniai perėjimai ir topologiniai tranzistoriai, kurių pagrindą sudaro vienasluoksnės Na3Bi nanojuostos. Nanomastas 2021, 13, 15048–15057. [CrossRef]

17. Vandenberghe, WG; Fischetti, MV Netobuli dvimačiai topologiniai lauko tranzistoriai. Nat. Komun. 2017, 8, 14184. [CrossRef]

18. Molle, A.; Goldbergeris, J.; Houssa, M.; Xu, Y.; Zhang, SC; Akinwande, D. Susegti dvimačiai kseno lakštai. Nat. Mater. 2017, 16, 163–169. [CrossRef]

19. Qian, X.; Liu, J.; Fu, L.; Li, J. Kvantinis sukimosi Holo efektas dvimačiuose pereinamojo metalo dikalkogeniduose. Mokslas 2014, 346, 1344–1347. [CrossRef]

20. Collinsas, JL; Tadichas, A.; Wu, W.; Gomesas, LC; Rodrigues, JN; Liu, C.; Hellerstedt, J.; Ryu, H.; Tangas, S.; Mo, SK; ir kt. Elektrinio lauko suderintas topologinis fazės perėjimas itin ploname Na3Bi. Gamta 2018, 564, 390–394. [CrossRef]

21. Focassio, B.; Schleder, GR; Pezo, A.; Costa, M.; Fazzio, A. Dviejų topologinių izoliatorių įtaisas, pasižymintis sutrikimo tvirtumu. Fizik. Rev. B 2020, 102, 045414. [CrossRef]

22. Xu, Y.; Chen, YR; Wang, J.; Liu, JF; Ma, Z. Kvantuotas lauko efekto tuneliavimas tarp topologinių briaunų arba sąsajos būsenų. Fizik. Kunigas Lett. 2019, 123, 206801. [CrossRef] [PubMed]

23. Sūnus, YW; Cohen, ML; Louie, SG Pusiau metalinės grafeno nanojuostos. Gamta 2006, 444, 347–349. [CrossRef]

25. Afzalianas, A.; Pourtois, G. Atomos: Atomistinio modeliavimo tirpiklis, skirtas dissipatyviam dft transportavimui ultra mastelio hfs2 ir juodojo fosforo mosfetuose. 2019 m. Tarptautinės puslaidininkių procesų ir įrenginių modeliavimo konferencijos (SISPAD), Udine, Italija, 2019 m. rugsėjo 4–6 d. 1–4 p.

25. Afzalianas, A. Itin didelio masto CMOS perspektyva nuo 2d medžiagos pagrindų iki dinamiškai legiruotų tranzistorių. NPJ 2D medžiaga. Appl. 2021, 5, 5. [CrossRef]

For more information:1950477648nn@gmail.com