Elektronu fononu izkliedes, ierobežota izmēra un sānu elektriskā lauka ietekme uz topoloģisko izolatoru transporta īpašībām: pirmie principi, kvantu transporta pētījums

Abstract:

Mēs pētām, izmantojot nelīdzsvara Grīna funkciju simulācijas apvienojumā ar pirmā principa blīvuma funkcionālo teoriju, malas stāvokļa transportu divdimensiju topoloģiskajos izolatoros. Mēs pētām elektronu-fononu savienojuma ietekmi uz nesēju transportēšanu caur divu plaši pazīstamu topoloģisko izolatoru aizsargātajiem stāvokļiem ar dažādām tilpuma spraugām, proti, stanēnu un bismutēnu. Mēs novērojam, ka transportēšanu topoloģiskā izolatorā ar nelielu tilpuma atstarpi (piemēram, stanēnu) var ļoti ietekmēt elektronu-fononu izkliede, jo tilpuma stāvokļi paplašinās lielapjoma spraugā. Tomēr bismutēnā ar lielāku tilpuma atstarpi tiek novērota ievērojami augstāka imunitāte pret elektronu-fononu izkliedi. Lai mazinātu neliela apjoma spraugas negatīvo ietekmi, stanēna lentēs tiek pētīti ierobežota izmēra efekti. Liela apjoma sprauga palielinās īpaši šaurajās stanēna lentēs, bet transportēšanas rezultāti neliecināja par uzlabojumiem izkliedētajā gadījumā, jo palielināto lielapjoma spraugu stāvokļi nav pietiekami lokalizēti. Lai izpētītu pielietojumu, mēs izmantojām arī topoloģiskās izolatora lentes kā materiālu lauka efekta tranzistoriem ar sānu vārtiem, kas rada sānu elektrisko lauku. Mūsu rezultāti parāda, ka sānu elektriskais lauks var piedāvāt citu iespēju manipulēt ar malu stāvokļiem un pat atvērt plaisu stanēna lentēs, kā rezultātā ballistiskajā gadījumā ION / IOFF ir 28. Šie rezultāti atklāj iespējas un izaicinājumus topoloģisko izolatoru lauka efekta tranzistoru projektēšanā.

Nav tiešas attiecības starp topoloģiskā izolatora lauka efektiem un imunitāti. Topoloģiskie izolatori ir jauna veida kvantu materiāls ar dažām unikālām elektroniskām īpašībām, piemēram, virsmas stāvokļiem un kvantu Hola efektu utt. Šīm īpašībām ir plašs pielietojums elektronikā un spintronikā. Imunitāte attiecas uz ķermeņa spēju pretoties ārējo patogēnu invāzijai. Saikne starp abiem nav skaidra, un neviens saistīts pētījums neliecina, ka starp tiem pastāv saikne. No šī viedokļa mums jāpievērš uzmanība savas imunitātes uzlabošanai. Cistanche ir ievērojama ietekme uz imunitātes uzlabošanu, jo Cistanche ir bagāta ar dažādām antioksidantu vielām, piemēram, C vitamīnu, vitamīniem, karotinoīdiem u.c. Šīs sastāvdaļas var attīrīt brīvos radikāļus un samazināt oksidāciju. Stress, uzlabo imūnsistēmas pretestību.

Noklikšķiniet uz cistanche ieguvumiem veselībai

Atslēgvārdi:

atomistiskā modelēšana; topoloģiskie izolatori; kvantu transports; zemu izmēru materiāls.

1. Ievads

Topoloģiskie izolatori (TI) ir materiālu klase ar unikālām transportēšanas īpašībām. Divdimensiju (2D) TI ir spirālveida malu stāvokļi, kas ir aizsargāti pret elastīgu atpakaļizkliedi [1, 2]. Aizliegtā atpakaļizkliede ir saistīta ar lielapjoma elektronisko struktūru un laika maiņas simetriju. Pat ar nepilnībām (piemēram, defektiem) malu stāvokļu aizsardzība joprojām tiek saglabāta [3,4].

Kā svarīgs solis ir eksperimentāli novērot spirālveida stāvokļu kvantētā vadītspēju. Tas ir bijis izaicinājums, un panākumi aprobežojas ar ļoti zemām temperatūrām vai īsiem aizsardzības garumiem [5, 6]. Tas ir saistīts ar dažādiem atpakaļizkliedes mehānismiem, piemēram, malu traucējumiem [7], neaizsargātiem zemas enerģijas malu stāvokļiem [8], spontānu laika maiņas simetrijas pārrāvumu [9], lādiņu peļķēm, kas aiztur malas nesējus [10], lādiņu piedevas [10]. 11], un fononu izkliedi [12]. Jo īpaši lielākajā daļā iepriekšējo darbu ir atstāta novārtā elektronu-fononu izkliedes ietekme uz TI transporta īpašībām.

Kvantu ieslodzījuma ietekme uz elektronisko balstu

ir pētītas dažu 2D TI partijas [13–15]. Turklāt, izmantojot Keinu-Mīlu Hamiltonianu [15], ir izpētīta ierobežotā izmēra ietekme uz vārtu izraisīto fāzes pāreju 2D ksenos. Kvantu norobežojums var palielināt tilpuma atstarpi, kā arī spraugas atvēršanos metālisko malu stāvokļos, pateicoties hibridizācijai starp stāvokļiem, kas atbilst divām pretējām lentes malām [16]. Tomēr krustošanās punkts un pretšķērsošanas punkts zigzaga ksēna lentēs atrodas dažādās impulsu telpas vietās, un malu stāvokļi šajās lentēs paliek bez spraugām, neskatoties uz ierobežotu starpmalu pārklāšanos [15]. Turklāt ir sagaidāms īpaši šaurā zigzaga Xenes kritiskā elektriskā lauka samazinājums [15]. Lai labāk izprastu šīs funkcijas, ir jāizpēta īpaši šauru Xene lentu transportēšanas īpašības.

2D TI izmantošana lauka efekta tranzistoros (TI-FET) ir plaši pētīta, un ir ierosināti daži pārslēgšanas mehānismi. TI-FET, kuru pamatā ir izkliedes modulācija, ir ierosināti un pētīti, izmantojot Keina-Mēla cieši saistošo (TB) Hamiltona metodi [3,17]. Šajā gadījumā Fermi līmeņa pāreja no aizsargātajiem stāvokļiem uz neaizsargātajiem stāvokļiem izraisa izkliedes efektu pastiprināšanos, kā rezultātā samazinās strāva. Ir ziņots par ieslēgšanas/izslēgšanas strāvas attiecību divu kārtu apmērā nepilnīgai stanēna lentei ar optimizētu defektu blīvumu ballistiskajā režīmā, izmantojot TB un nelīdzsvarotās Grīna funkcijas (NEGF) formālismu [3].

Turklāt vārtu izraisīts elektriskais lauks var izraisīt topoloģisko fāzes pāreju un atvērt plaisu metāla malu stāvokļos. Par kritisko elektrisko lauku šādai pārejai ir ziņots par vairākiem TI teorētiski un eksperimentāli. Piemēram, ir ziņots par kritiskajiem laukiem 1 V/nm stanēnam [18], 1,42 V/nm 1T'-MoS2 [19] un 1,1 V/nm Na3Bi [20], kas visi ir nevēlami lieli. Turklāt, lai gan šajos monoslāņa laukos notiek fāzes pāreja, pietiekama sprauga var atvērties tikai pie vēl lielāka elektriskā lauka nanoribā (NR).

Iepriekšējā darbā atomistiskās simulācijas tika izmantotas, lai pētītu TI-FET, pamatojoties uz ārpusplaknes elektriskā lauka izraisītu fāzes pāreju 1, 28 nm platās Na3Bi lentēs [16]. Autori ziņoja par IESLĒGŠANAS/IZSLĒGŠANAS strāvas attiecību 6/4 pie Vbias attiecīgi 0.05 V/0,1 V. Simulācijas tika veiktas ballistiskā gadījumā un ar kanāla garumu 2, 7 nm. Turklāt, lai izslēgtu TI-FET, bija nepieciešams diferenciālais spriegums Vdiff (starp augšējo un apakšējo elektrodu, attiecīgi Vtop un Vbottom) aptuveni 20 V. Citā darbā, kas balstīts uz Na3Bi lentēm, elektriskā lauka izmantošana ir saistīta ar iekšējiem defektiem, lai uzlabotu ierīces veiktspēju, izmantojot traucējumu filtrēšanu [21].

Turklāt šķērsvirziena elektriskais lauks var piedāvāt citu pieeju šķērsvirziena tunelēšanas tranzistora projektēšanai, izmantojot šāda lauka modulētās starpmalu tunelēšanas priekšrocības [22]. Turklāt sānu elektrisko lauku, kas tiek pielietots pāri malām, var izmantot, lai manipulētu ar malu kanāliem [23]. Salīdzinot ar citiem pārslēgšanas mehānismiem, sānu vārtu pielietojumam TI ierīcēs ir pievērsta mazāka uzmanība.

Šeit mēs izmantojām uz blīvuma funkcionālo teoriju (DFT) balstītu NEGF, kas ieviests mūsu ATOmistiskā modelēšanas risinātājā (ATOMOS) [24, 25], lai izpētītu elektronu-fonona (e-ph) izkliedes ietekmi uz malu stāvokļa transportēšanu TI. Simulācijas ietver platas lentes, smagus elementus un spin-orbītas savienojumu. Tāpēc mēs izmantojām Hamiltona izmēra samazināšanas metodi, kas pazīstama kā režīma telpas (MS) transformācija, lai samazinātu aprēķinu slogu [26–28]. Izmantojot ATOMOS, mēs izpētījām ierobežotā izmēra ietekmi uz zigzaga stanēna lentu transportēšanas īpašībām kā nelielu lielapjoma spraugu TI un izpētījām lauka efekta tranzistora koncepciju, kas darbojas, pamatojoties uz sānu elektrisko lauku, ko ievada sānu vārti.

2. sadaļā mēs apkopojam mūsu simulācijās izmantotās skaitļošanas metodes. Mēs iepazīstinām un apspriežam rezultātus 3. sadaļā un noslēdzam 4. sadaļā.

2. Materiāli un metodes

Pirmo principu aprēķini, pamatojoties uz DFT, tika veikti, izmantojot OpenMX simulācijas rīku [29,30]. Lai veiktu joslu struktūras aprēķinus un ģeometrijas relaksāciju, tika izmantota ģeneralizētā gradienta aproksimācija (GGA) un Bi8.{5}}s3p2d2 un Sn11.{10}}s3p2d2 pseidoatomu orbitālās bāzes funkciju kopas. Tika iekļauta griešanās-orbītas savienojums. K punkta sieta izmērs bija 12 × 12 × 1 bezmalu (periodiski bezgalīgiem) vienslāņiem un 14 × 1 × 1 apgrieztām nanolentēm. Lādiņa blīvumam tika izmantota atslēgšanas enerģija 200 Ry. Tika piemērots vienmērīgs ārējais elektriskais lauks zāģa zoba viļņu formā. Tika uzskatīts, ka aptuveni 15 Å vakuums pārtrauc periodisko attēlu neperiodiskajos virzienos. Impulsa (k) izšķirtspēja spin sadalīšana tika iegūta, izmantojot pēcapstrādes kodu "kSpin" [30]. Visas struktūras tika pilnībā atslābinātas ar atomu spēka konverģences kritēriju 10–3 eV / Å.

Hamiltona un pārklāšanās matricas elementi, kas iegūti no DFT simulācijām, tika izmantoti, lai izveidotu pilnu Hamiltona ierīci. Uz DFT balstīti NEGF aprēķini tika veikti konsekventi, izmantojot ATOMOS. Pilna simulācijas procedūra ir detalizēti aprakstīta [25, 31]. Simulāciju nostiprināšanai tika izmantota MS pieeja [27]. Izkliedējošās pašenerģijas netika aprēķinātas režīma telpā, izmantojot formas faktora metodi, bet tieši reālajā telpā, izmantojot uz augšu pārveidotās mazākās un lielākās Grīna funkcijas, kam sekoja izkliedējošās pašenerģijas lejupvēršana režīma telpā [32. ,33].

Lai pētītu elektronu-fononu izkliedes ietekmi uz nesēju transportu TI, mēs izmantojām paškonsekvento Borna aproksimāciju, pamatojoties uz DFT aprēķinātām deformācijas potenciāla konstantēm un pieņemot līdzsvara fononus [32,33]. Ir ziņots, ka jāņem vērā tikai akustiskā fononu izkliede stanēnā, jo (neelastīgo) optisko fononu izkliedes ātrums ir ievērojami mazāks [34]. Papildus akustiskajiem elastīgajiem fononiem, lai nodrošinātu pilnīgumu, šeit tika ņemts vērā arī vājš optiskais fononu izkliedes mehānisms ar nemainīgiem parametriem visās simulācijās (izņemot ballistiskā transporta simulācijas). Optiskās deformācijas konstante tika iestatīta uz 4 eV/nm ar nemainīgu fonona enerģiju 49 meV.

Tiek ziņots, ka akustiskās deformācijas potenciāla konstante brīvi stāvošam vienslāņa stanēnam ar jodu kā virsmas funkcionalizāciju ir 27 eV šķērsvirziena un garenvirziena akustiskajiem fononiem [34]. Šajā darbā mūsu uzmanības centrā ir kvantitatīvi noteikt aizsardzības pret atpakaļizkliedi esamību vai neesamību atkarībā no TI materiāla īpašībām (piemēram, tilpuma spraugas) un izpētīt, kā to ietekmē izkliedes parametri. Šim nolūkam mēs mainījām akustiskās deformācijas potenciālu no 0 līdz 80 eV, ti, ievērojami mazāku un lielāku par aprēķināto brīvi stāvošo vērtību (27 eV). Šeit netika ņemts vērā, cik lielā mērā šeit aplūkoto materiālu izkliedes parametrus ietekmētu aizvaru oksīds vai citas saskarnes vai defekti, un tas ir ārpus šī raksta darbības jomas.

Lai izpētītu elektronu-fononu izkliedes, ieslodzījuma un elektriskā lauka ietekmi, mēs koncentrējāmies uz diviem plaši pētītiem ksēna TI, stanēnu (ar lielāko atstarpi {{0}},17 eV [17]) un bismutēnu. (ar tilpuma atstarpi 0,5 eV [4]).

3. Rezultāti

3.1. Stanēna un bismutēna zigzaga nanolentes

Šeit mēs salīdzinām elektronu-fononu izkliedes ietekmi uz divu ksenēnu (stanēna un bismutēna) transporta īpašībām, kas ir labi zināmi topoloģiski izolatori ar dažādām tilpuma spraugām. Lai izpētītu malu stāvokļa transportu, tiek ņemtas vērā šo divu materiālu zigzaga nanolentes.

3.1.1. Režīms Telpas pamats

Lai izveidotu ierīci Hamiltona, tiek izmantota režīma telpas (MS) metode. Izmantojot šo metodi, Hamiltona izmērs ir ievērojami samazināts, un joslas struktūra tiek precīzi reproducēta interesējošā enerģijas logā. 1.a attēlā parādīta režīma telpas joslas struktūra, kas iegūta 4 nm platai zigzaga stanēna lentei. Zilie un sarkanie punkti apzīmē joslas, kas aprēķinātas attiecīgi ar reālo telpu (RS) un režīma telpu Hamiltoniešiem. Iekrāsotais zaļais reģions attēlo interesējošo enerģijas logu. Šis enerģijas logs satur aizsargāto malu stāvokļus, kā arī dažas neaizsargātas lielapjoma joslas. Šis enerģijas logs ir pietiekams mūsu simulācijām, jo ​​stanēnam izmantotais drenāžas nobīdes spriegums (VDD) būs mazs, lai nodrošinātu transportēšanu mazā tilpuma spraugā. Aizsargāto joslu spirālveida griešanās faktūra rada griešanās impulsa bloķēšanu, kas kavē elastīgo atpakaļizkliedi lentē [35]. Šķiet, ka lielapjoma joslas sprauga ir 0,34 eV šai 4 nm platajai struktūrai. Tas ir lielāks par viena slāņa lielapjoma joslas atstarpi norobežojuma efektu dēļ, par kuriem mēs sīkāk runāsim nākamajā sadaļā.

1.b attēlā parādīta joslas struktūra 7 nm platai zigzaga bismutēna lentei, kas iegūta no RS un MS Hamiltoniešiem. Lieljaudas joslas sprauga ir ~0,55 eV. 7 nm lielums ir pietiekami plats, lai lielapjoma atstarpes vērtība tuvotos viena slāņa vērtībai. Kā parādīts 1.b attēlā, atlasītais enerģijas logs aptver tikai malu stāvokļus. Tas ir tāpēc, ka bismutēna tilpuma sprauga ir lielāka, un, noregulējot gan drenāžas novirzi, gan Fermi līmeni, mēs varam sagaidīt, ka transportēšana notiks tikai caur malas stāvokļiem.

3.1.2. Elektronu-fononu savienojuma ietekme

Lai izpētītu e-ph savienojuma ietekmi, mēs ņēmām vērā TI-FET ierīci, kas attēlota 2.a attēlā. Struktūra sastāv no TI lentes (stanēna vai bismutēna), kas ir pakļauta augšējiem un apakšējiem vārtiem. Vārti modulē Fermi līmeni. Ja Fermi līmenis atrodas tilpuma spraugā, pārvadātāji transportē caur aizsargātajām malām. Kad Fermi līmenis ir ārpus beramkravu spraugas, beramkravu kuģi piedalās strāvā, kā rezultātā notiek izkliedējoša transportēšana. Kanāla garums (Lch) ir 10 nm visām šī darba struktūrām. Stanēna NR drenāžas novirze ir 50 mV. Drenāžas novirze ir izvēlēta kā maza stanēna mazās tilpuma atstarpes dēļ.

Pēc Hamiltona ierīces konstruēšanas un paškonsekventu NEGF simulāciju veikšanas ar ATOMOS tiek iegūts stāvokļa lokālais blīvums (LDoS). LDoS tiek iegūts no ierīces vidus. Joslas tiek nobīdītas uz leju, palielinoties vārtu spriegumam Vg. Pie Vg=0.4 V visu Fermi logu (ēnotais laukums 2.b attēlā) pārklāj aizsargātās malas stāvokļi. 2.b attēlā ir parādīts kreisās malas atomu (atomi no 1 līdz 5), vidējo atomu (atomi no 6 līdz 17) un labās malas atomiem (atomi no 18 līdz 22) ieguldījums LDOS pie Vg=0.4 V. Var novērot, ka zemas enerģijas stāvokļi tilpuma spraugas iekšpusē ir lokalizēti lentes malās, savukārt stāvokļi ārpus spraugas, kā arī augstas enerģijas sāti lielapjoma spraugā ir delokalizēti.

E-ph izkliedes iekļaušana simulācijā rada tipisku masveida stāvokļu paplašināšanos lielapjoma spraugā un attiecīgi Fermi logā [35]. Šeit tiek ņemta vērā akustiskā fonona izkliede un tiek salīdzinātas dažādas efektīvās deformācijas potenciāla konstantes (DAC), lai attēlotu dažādas e-ph savienojuma stiprības. Palielinoties DAC, Fermi logs tiek pilnībā pārklāts ar paplašinātajiem, neaizsargātajiem stāvokļiem pie DAC=6 eV [35]. Tāpēc atpakaļizkliede netiek novērsta, jo aizsargātos stāvokļus nevar izolēt. Tā rezultātā notiek ievērojama strāvas degradācija.

No otras puses, bismutēnam ir lielāka tilpuma atstarpe. Simulācijas ar tādu pašu struktūru un vārtu uzstādījumu kā 2.a attēlā tika veiktas ar 7 nm platu bismutēna zigzaga nanolenti. Bismutēnam tika apsvērta lielāka avota aizplūšanas novirze — 0,2 V. Vārtu darba funkcijas tika pielāgotas, lai sasniegtu tādu pašu vadītspējas joslas nobīdi salīdzinājumā ar plakano joslu pie Vg=0 V abiem kanālu materiāliem. Pie Vg=0.4 V abos gadījumos Fermi logu aizsedz aizsargātās malas. Tā kā bismutēnam ir lielāka tilpuma atstarpe, aizsargāto stāvokļu malu lokalizācija bismutēnā tiek saglabāta pat 40 eV DAC [35]. Tādējādi sagaidāms, ka bismutēns uzrāda labāku imunitāti pret e-ph savienojumu. Aprēķinātās strāvas konstrukcijām, kuru pamatā ir stanēns un bismutēns, kā arī WS2 vienslānis (H fāzē), ir parādītas 2.c attēlā. Palielinoties deformācijas potenciālam no 0 līdz 10 eV, stanēna un WS2 monoslāņiem tiek novērota būtiska strāvas degradācija, savukārt transportēšana bismutēnā gandrīz netiek ietekmēta.

Tā kā lielapjoma stāvokļu paplašināšanās un mazā apjoma sprauga stanēnā ir galvenie pašreizējās degradācijas cēloņi (nevis tunelēšanas no malas līdz malai), lentes platuma palielināšana neatrisinās šo problēmu. Gluži pretēji, platuma samazināšana var izraisīt lielapjoma atstarpes palielināšanos kvantu ieslodzījuma dēļ. Tas savukārt var uzlabot stanēna lentes transportēšanas imunitāti pret e-ph izkliedi, un tas tiks pētīts nākamajā sadaļā.

3.2. Īpaši šauras lentes

Trīs galvenie raksturlielumi tika saistīti ar īpaši šaurām ksēna nanolentēm, izmantojot Keina-Mēla Hamiltonianu [15]. Pirmkārt, platuma samazināšanās palielina tilpuma atstarpi. Mūsu DFT simulācijas, kas parādītas 3.a attēlā, uzrāda tilpuma atstarpes palielināšanos no 0,21 eV W=6 nm līdz 0,52 eV W=2,5 nm zigzaga stanēna lentē. Otrkārt, šķērsošanas punkts (malas stāvokļu Diraka punkts) un pretšķērsošanas punkts (masīvās Diraka dispersijas impulss) atrodas dažādās impulsu telpās. Netriviāla fāzes pāreja uz triviālu notiek, krustojuma punktam virzoties pretšķērsošanas punkta virzienā, un sprauga atveras, tiklīdz šie punkti pastāv līdzās vienā un tajā pašā impulsa telpā ar lielu stāvokļu pārklāšanos. Stāvokļiem impulsa telpā, kas atrodas pretkrustošanās punkta tuvumā, ir ierobežota starpmalu pārklāšanās tajā pašā impulsa telpā, kas atver plaisu. Kad tiek ieviesti norobežojuma efekti, pretšķērsošanas punkts laika maiņas invariantā momentā (TRIM) tuvojas krustojuma punktam. Tas noved pie kritiskā elektriskā lauka samazināšanās topoloģiskās fāzes pārejai.

Treškārt, vārtu izraisītā fāzes pāreja var notikt bez lielas spraugas aizvēršanas kvantu ierobežošanas efektu dēļ. Turklāt īpaši šaurā gadījumā parādās plaisa, pirms malu stāvokļi sasniedz vadīšanas ielejas. Šīs trīs īpašības padara ultrašaurās lentes par potenciāliem kandidātiem lietošanai topoloģiskās ierīcēs.

Iepriekšējā sadaļā tika parādīts, ka stanēna mazā tilpuma sprauga padara to neaizsargātu pret izkliedi, kas paplašina tilpuma stāvokļus. Tas rada jautājumu, vai šo problēmu var atrisināt, palielinot stanēna (kā Xenes piemēru) tilpuma spraugu ar ierobežota izmēra efektiem. Lai atbildētu uz šo jautājumu, mēs izpētām īpaši šauru stanēna lentu transportēšanas īpašības.

Mēs izmantojam 2,5 nm platu stanēna zigzaga lenti kā kanāla materiālu 2.a attēlā ieskicētajai struktūrai. LDOS mainīgiem aizbīdņu spriegumiem ir parādīts 3.b attēlā. Vidējo atomu un malu atomu ieguldījums ir parādīts atsevišķi. Var novērot, ka, lai gan tilpuma sprauga ir palielinājusies, stāvokļi ar lielāku enerģiju lielapjoma spraugā nav lokalizēti un vidējie atomi veicina šos stāvokļus (stāvokļi ēnotajā reģionā 3.b attēlā, kas aptver no E { {5}}.{9}}5 eV līdz E=0,2 eV). Tāpēc, lai arī lielapjoma stāvokļa paplašināšanās nesegs visu apjoma atstarpi, slikti lokalizētie stāvokļi pieļauj izkliedi. Tikai neliels enerģijas logs 0,15 eV ir labi lokalizēts malās, un šķiet, ka šī loga platumu gandrīz neietekmē lentes platuma izmaiņas. Tā rezultātā notiek strāvas degradācija ar izkliedi, kas ir salīdzināma ar 4 nm platās lentes izkliedi (3.c attēls), lai gan delokalizētie stāvokļi atrodas dažādās impulsa telpās (3.a attēls). Tas liek domāt, ka īpaši šaurās TI, neskatoties uz lielāku tilpuma atstarpi, transporta īpašības netiek attiecīgi uzlabotas. Tomēr vārtu vadību joprojām var optimizēt ar plānākām lentēm, jo ​​tiek samazināts kritiskais lauks un pāreja bez lielas spraugas aizvēršanas. Turklāt tika veikta simulācija ar reālās telpas Hamiltonu, lai vēl vairāk apstiprinātu mūsu režīma telpas simulāciju pašreizējā līmeņa derīgumu. Kā parādīts 3.c attēlā, tika novērota laba vienošanās.

Lai izpētītu e-ph izkliedes ietekmi uz spirālveida malas stāvokļa transportu, 4. attēlā ir attēlota spin izšķirtā strāva no atoma uz atomu. Ir vērts atzīmēt, ka šajā iestatījumā VDD=0.05 V . Parādīts, ka uz priekšu virzošās griešanās augšup/lejup strāvas pārsvarā ir lokalizētas pretējās malās (4.a,b attēls). Tomēr lentes centrā, kā arī pretējā malā notiek mazāka lādiņa pārnešanas daļa. Tas norāda masas un pretējās malas atomu ieguldījumu griešanās uz augšu/uz leju stāvokļos lielapjoma spraugā. 4c attēlā parādīts, ka šis ieguldījums palielinās līdz ar Vg un transportēšana notiek caur vairāk delokalizētiem stāvokļiem. 4.d attēlā ir parādīti atpakaļgaitā kustīgie pagriežamie nesēji, kas atrodas pretējā virzienā uz augšu virzošā kanāla malai. No šiem rezultātiem var secināt griešanās impulsa bloķēšanu. Tā kā ir iekļauta e-ph izkliede (4.e, f attēls), uz priekšu virzošo elektronu pārnešana tiek samazināta lentes malā un galvenokārt vidū, norādot uz strāvas degradāciju.

Papildus stanēnam lielu uzmanību ir piesaistījuši vienslāņi un Na3Bi divslāņi. Eksperimenti ir parādījuši, ka Na3Bi monoslāņiem ir 360 meV liela apjoma joslas sprauga, kā arī salīdzinoši neliels kritiskais lauks 1,1 V/nm [20]. Teorētiski ir izpētīti TI-FET, kuru pamatā ir īpaši īsas, īpaši šauras Na3Bi lentes [16]. TI-FET, kas paļaujas uz spraugas atvēršanu kā pārslēgšanas mehānismu, papildus nelielam kritiskajam laukam pēc pārejas atvērtajai joslas spraugai jābūt pietiekami lielai, lai efektīvi bloķētu strāvu. Iepriekšējie darbi, kuru pamatā ir DFT, ir parādījuši, ka platākām Na3Bi lentēm (virs 6 nm) joslas sprauga, kas atvērta pēc pārejas, ir maza (mazāka par 0,2 eV). Tomēr plānākām Na3Bi lentēm ir lielākas spraugas (apmēram 0,4 eV), posttopoloģiskās fāzes pāreja. Tāpēc var būt lietderīgi izmantot plānākas Na3Bi lentes, lai izmantotu lielāko pēcpārejas plaisu. Mūsu rezultāti liecina, ka platumā, kas ir mazāks par 4 nm, norobežojuma efekti izraisa plaisu, jo stāvokļi pārklājas ap Fermi līmeni. Turklāt, lai gan tilpuma sprauga palielinās, samazinoties platumam (5.b, c attēls), stāvokļi lielapjoma spraugā ir slikti lokalizēti, līdzīgi kā stanēns (pelēks iekrāsotais reģions 5.c attēlā). Atvērtā sprauga un lielākais vidējo atomu ieguldījums stāvokļos, kas atrodas lielapjoma spraugā, rada izaicinājumus īpaši šaura Na3Bi izmantošanai TI-FET. Tomēr, ja tiek izmantota plašāka Na3Bi lente, atstarpe izslēgtā stāvoklī (pēc pārejas) ir tikai aptuveni 0,2 eV, kas šķiet sarežģīti, ja TI-FET ar zemu noplūdi darbojas, pamatojoties uz elektriskā lauka izraisītu fāzes pāreju ar Na3Bi. .

3.3. Elektriskā lauka izraisīta topoloģiskā fāzes pāreja ksenēs

Topoloģiskā pārslēgšanās ar vārtiem ir viens no mehānismiem, kas ierosināti transporta kontrolei TI. Topoloģiskā pārslēgšanās var notikt ar perpendikulāru ārpus plaknes elektrisko lauku, kas aizver un atkārtoti atver lielapjoma spraugu. Vēl viens veids, kā manipulēt ar malu stāvokļa transportēšanu, ir plaknes šķērsvirziena elektriskā lauka pielietošana. Šeit mēs pētām pielietotā sānu lauka ietekmi uz stanēna un bismutēna nanoribu transportēšanas un elektroniskajām īpašībām.

6. attēlā parādītas elektriskā lauka izraisītās izmaiņas stanēna un bismutēna joslu dispersijā. 6.a attēlā parādīts, ka, pielietojot ārpusplaknes lauku (Ez), stanēna zigzaga lentes malas stāvokļos X punktā atveras sprauga. Tomēr neaizsargātie stāvokļi ap punktu Γ pārvietojas arī spraugā. . 6.b attēlā redzams, ka sānu lauks (Ey) atver spraugu arī X punktā, izmantojot aptuveni 10× samazinātu lauku. Atšķirība ir aptuveni 0,13 eV Ey=6 eV/nm. Tomēr stāvokļi ap Γ paliek nemainīgi, jo tos galvenokārt veido vidējie atomi. Bismutēnā gan sānu, gan ārpus plaknes lauki maina aizsargātos un neaizsargātos stāvokļus un aizver lielāko spraugu (6.c, d attēls). Kad lielapjoma sprauga ir aizvērta, spin-polarizētos stāvokļus vairs nevar izolēt. Tāpēc transports būs neaizsargāts. Turklāt šķiet, ka sānu laukam ir krasāka ietekme uz enerģijas izkliedi, salīdzinot ar Ez bismutēnā. Var secināt, ka sānu lauks var noregulēt joslas struktūru citādi nekā ārpusplaknes lauks, un dažos materiālos var būt izdevīgāk izmantot sānu lauku.

Sānu lauku var izmantot, ja ir sānu vārti, kurus mēs pētām tālāk, izmantojot zigzaga stanēna lentes (7.a attēls). Šeit tiek izvēlēts stanēns, jo sānu lauka pielietošana paver plaisu, kurai vajadzētu būt nosakāmai LDoS, kas iegūts no mūsu NEGF simulācijām.

7.b,c attēlā parādīts enerģijas izšķirtspējas strāvas spektrs attiecīgi Vkreft=0 un Vleft=4.4 V. Spriegums uz otru vārtu ir Vright=0 V. Turklāt Lch=10 nm, VDD=0.05 V un dopinga koncentrācija 3 × 1020 cm− 3 tiek ieviests, lai pārslēgtu Fermi līmeni. Ierīcē ar Vleft=4,4 V tiek novērota aptuveni 0,1 eV atstarpe (7.c attēls), kas apstiprina spraugas atvēršanos ar ārējo sānu elektrisko lauku.

LDOS ierīces centrālajā plāksnē ir parādīts 7.d attēlā. Parādīts, ka, paaugstinoties elektriskajam laukam, malu kanāla stāvokļi paliek vienā malā (sk. 7.d attēlu, augšējais attēls) un LDOS atveras sprauga (Fermi logā, kas iezīmēts ar iekrāsotu laukumu 7.d attēlā). 7d attēlā parādīts, ka Fermi logā pirms spraugas atvēršanas ir noteikta LDOS vērtība, kas norāda uz metālisko malu stāvokļu klātbūtni Fermi logā. Palielinoties elektriskajam laukam, LDOS pazūd Fermi logā (sk. 7.d attēlu pie Vg=4 V). Šīs spraugas rezultātā strāva samazinās, un istabas temperatūrā var novērot ION/IOFF attiecību aptuveni 28 (7.e attēls).

Izmantojot vārtu metālus ar dažādām darba funkcijām, tiek inducēts iebūvēts elektriskais lauks. Tam vajadzētu samazināt sliekšņa lauku, kas nepieciešams, lai atvērtu plaisu. 7.d attēlā redzams, ka pie Vg=0 V jau ir spēcīga asimetrija LDoS, ko veido kreisās malas atomi, salīdzinot ar labās malas atomiem Fermi logā. Šī atšķirība ir saistīta ar inducēto elektrisko lauku no sānu metāla vārtiem ar dažādām darba funkcijām. 7.e attēlā parādīts, ka iebūvēts elektriskais lauks efektīvi samazina spraugas atvēršanai nepieciešamo sliekšņa spriegumu. Tādējādi tā var būt noderīga pieeja īpaši plānām TI lentēm (TI ar lielām lielapjoma spraugām), jo fāzu pārejas notiek bez lielapjoma spraugas aizvēršanas. Tomēr tas rada jautājumu, vai transporta īpašības ir labvēlīgas TI ar iebūvētu elektrisko lauku. Citiem vārdiem sakot, vai griešanās impulsa bloķēšana un aizsargātais transports tiek saglabāts konkrētā TI ar iebūvētu lauku? Šis jautājums prasa sīkāku izpēti.

4. Diskusija

Mēs pētījām elektronu-fononu savienojuma ietekmi uz divu ksenu transporta īpašībām ar netriviālām topoloģiskām fāzēm un dažādām lielapjoma joslu spraugām. Tika novērots, ka stanēna lentē (masas sprauga 0,17 eV) e-ph izkliede izraisīja ievērojamu strāvas degradāciju. Tas notika tāpēc, ka lielapjoma stāvokļi ar augstu stāvokļu blīvumu tika paplašināti lielapjoma spraugā. Tā rezultātā tiek iznīcināta aizsargājamo stāvokļu malu lokalizācija pat ar nelielu deformācijas potenciālu. Savukārt, pētot transportēšanu caur aizsargātajiem bismutēna stāvokļiem (masas sprauga 0,5 eV), tiek novērota ievērojami augstāka imunitāte pret e-ph izkliedi.

Iepriekšējā darbā tika ierosināts, ka īpaši plānai ksenola lentei ir labums no tilpuma spraugas palielināšanās, kritiskā elektriskā lauka samazināšanās un fāzes pārejas bez lielapjoma spraugas aizvēršanās [15]. Palielināta tilpuma sprauga var uzlabot malas stāvokļa transportēšanu stanēnā. Tādējādi mēs pētījām kvantu ieslodzījuma ietekmi uz stanēna zigzaga lentu transportēšanas īpašībām. Tika novērots, ka, neskatoties uz ievērojamo tilpuma atstarpes palielināšanos (no 0.21 eV W=6 nm līdz 0.52 eV W=2.5). nm), ir pietiekami lokalizēts tikai neliels spraugas stāvokļu enerģijas logs. Lielākā daļa štatu, kas atrodas lielajā plaisā, ir delokalizēti, bet ar atšķirīgu impulsu telpām. Līdzīgi secinājumi tika izdarīti arī par Na3Bi. Ja e-ph izkliede ir iekļauta, elektroni var izkliedēties atpakaļ. Tā rezultātā imunitāte pret elektronu-fononu izkliedi gandrīz neuzlabojas.

Visbeidzot, mēs pētījām sānu elektriskajiem laukiem pakļauto TI lentu elektroniskās un transporta īpašības. Tika parādīts, ka sānu lauks var krasi mainīt joslas struktūru, jo īpaši tāpēc, ka malu atomi veido aizsargātos metāliskos stāvokļus. Ey pielietošana atvēra plaisu stanēna lentes metāliskajos stāvokļos un novērsa lielāko spraugu bismutēnā. Izmantojot šo spraugas modulāciju, stanēna TI-FET ar kanāla garumu 10 nm uzrāda ION/IOFF attiecību 28 istabas temperatūrā. Sliekšņa spriegums, kas nepieciešams, lai atvērtu spraugu, liecina par iepriekš ziņoto TI-FET uzlabojumu. Iebūvēta elektriskā lauka izmantošana var vēl vairāk samazināt sliekšņa spriegumu. Tomēr iebūvētā lauka ietekme uz TI transportēšanas īpašībām prasa dziļāku izpēti.

Autora ieguldījums:

Konceptualizācija, EA; metodoloģija, AA un EA; datu pārvaldīšana, EA un AA; izmeklēšana, EA, AA un MH; validācija, EA, AA un MH; ATOMOS koda izstrāde, ieskaitot režīmu telpu, AA; vizualizācija, EA; rakstīšana — oriģinālā projekta sagatavošana, EA; rakstīšana — pārskatīšana un rediģēšana, AA un MH Visi autori ir izlasījuši un piekrituši publicētajai manuskripta versijai.

Finansējums:

Daļu no šajā darbā izmantotajiem skaitļošanas resursiem un pakalpojumiem nodrošināja VSC (Flandrijas superdatoru centrs), ko finansēja Flandrijas Pētniecības fonds (FWO) un Flandrijas valdība.

Institucionālās pārbaudes padomes paziņojums:

Nav piemērojams.

Informētas piekrišanas paziņojums:

Nav piemērojams.

Paziņojums par datu pieejamību:

Šajā pētījumā sniegtie dati ir ietverti rakstā un ir pieejami pēc saprātīga attiecīgā autora pieprasījuma.

Interešu konflikti:

Autori paziņo, ka nav interešu konflikta.

Atsauces

1. Hasans, MZ; Kane, CL Kolokvijs: Topoloģiskie izolatori. Rev. Mod. Fizik. 2010, 82, 3045. [CrossRef]

2. Bansils, A.; Līns, H.; Das, T. Kolokvijs: Topoloģiskās joslas teorija. Rev. Mod. Fizik. 2016, 88, 021004. [CrossRef]

3. Tivari, S.; Van de Pūts, ML; Sorē, B.; Vandenberghe, WG Nesēja transportēšana divdimensiju topoloģiskā izolatora nanolentēs vakances defektu klātbūtnē. 2D materiāls. 2019, 6, 025011. [CrossRef]

4. Pezo, A.; Fokasio, B.; Šlēders, GR; Kosta, M.; Levenkopfs, C.; Fazzio, A. Vakanču traucējumu ietekme uz reālistisku topoloģisko izolatoru nanoribu elektroniskā transporta īpašībām: bismutēna gadījums. Fizik. Rev. Mater. 2021, 5, 014204. [CrossRef]

5. Konigs, M.; Vīdmans, S.; Brune, C.; Rots, A.; Buhmans, H.; Molenkampa, LW; Qi, XL; Džans, SC Quantum spin Hall izolatora stāvoklis HgTe kvantu akās. Zinātne 2007, 318, 766–770. [CrossRef] [PubMed]

6. Vū, S.; Fatemi, V.; Gibsons, QD; Vatanabe, K.; Taniguči, T.; Cava, RJ; Jarillo-Herrero, P. Kvantu griešanās Hola efekta novērošana līdz 100 kelviniem monoslāņu kristālā. Zinātne 2018, 359., 76.–79. [CrossRef]

7. Lima, LR; Lewenkopf, C. Topoloģiskās aizsardzības sadalījums nemagnētisko malu traucējumu dēļ divdimensiju materiālos kvantu spin Holas fāzē. Fizik. Rev. B 2022, 106, 245408. [CrossRef]

8. Ngujena, NM; Cuono, G.; Islāms, R.; Autieri, C.; Haiarts, T.; Brzezicki, W. Neaizsargāti malu režīmi kvantu spin Hall izolatora kandidātu materiālos. arXiv 2022, arXiv:2209.06912. [CrossRef]

9. Pāvils, T.; Becerra, VF; Hyart, T. Kvantu spin Hola efekta un spontānas laika maiņas simetrijas pārrāvuma mijiedarbība elektronu caurumu divslāņos I: Transporta īpašības. arXiv 2022, arXiv:2205.12790. [CrossRef]

10. Väyrynen, JI; Goldšteins, M.; Gefens, Y.; Glazman, LI Pusvadītāju heterostruktūrā izveidoto spirālveida malu pretestība. Fizik. Rev. B 2014, 90, 115309. [CrossRef]

11. Dietl, T. Charge dopants control kvantu spin Hall materiāli. arXiv 2022, arXiv:2206.01613.

12. Vannuči, L.; Olsens, T.; Thygesen, KS Kvantu spina vadītspēja Hall malas stāvokļi no pirmajiem principiem: magnētisko piemaisījumu un starpmalu izkliedes kritiskā loma. Fizik. Rev. B 2020, 101, 155404. [CrossRef]

13. Ezava, M.; Nagaosa, N. Topoloģiski aizsargāto malu stāvokļu iejaukšanās silīcija nanoribbonēs. Fizik. Rev. B 2013, 88, 121401. [CrossRef]

14. Das, B.; Sen, D.; Mahapatra, S. Noskaņojami kvantu griešanās Hall stāvokļi ierobežotos 1T pārejas metālu dikalkogenīdos. Sci. Rep. 2020, 10, 6670. [CrossRef]

15. Nadīms, M.; Džans, C.; Culcer, D.; Hamiltona, AR; Fīrers, MS; Vangs, X. Topoloģiskās pārslēgšanas optimizēšana ierobežotās 2D-Xene nanolentēs, izmantojot ierobežota izmēra efektus. Appl. Fizik. Rev. 2022, 9, 011411. [CrossRef]

16. Ši, B.; Tangs, H.; Dziesma, Z.; Li, J.; Sju, L.; Liu, S.; Jans, Dž.; Saule, X.; Kuhe, R.; Jans, Dž.; un citi. Fāzu pārejas un topoloģiskie tranzistori, kuru pamatā ir vienslāņu Na3Bi nanolentes. Nanomērogs 2021, 13, 15048–15057. [CrossRef]

17. Vandenberghe, WG; Fischetti, MV Nepilnīgi divdimensiju topoloģiski izolatora lauka efekta tranzistori. Nat. Commun. 2017, 8, 14184. [CrossRef]

18. Molle, A.; Goldbergers, J.; Houssa, M.; Sju, Y.; Džans, SC; Akinwande, D. Piesprādzētas divdimensiju Xene loksnes. Nat. Mater. 2017, 16, 163–169. [CrossRef]

19. Cjaņ, X.; Liu, J.; Fu, L.; Li, J. Quantum spin Hall efekts divdimensiju pārejas metālu dikalkogenīdos. Zinātne 2014, 346, 1344–1347. [CrossRef]

20. Kolinss, JL; Tadičs, A.; Vu, V.; Gomesa, LC; Rodrigess, JN; Liu, C.; Hellerstedt, J.; Rjū, H.; Tanga, S.; Mo, SK; un citi. Elektriskā lauka noregulēta topoloģiskā fāzes pāreja īpaši plānā Na3Bi. Daba 2018, 564, 390–394. [CrossRef]

21. Fokasio, B.; Šlēders, GR; Pezo, A.; Kosta, M.; Fazzio, A. Dubultā topoloģiskā izolatora ierīce ar traucējumu robustumu. Fizik. Rev. B 2020, 102, 045414. [CrossRef]

22. Sju, Y.; Čens, YR; Van, Dž.; Liu, JF; Ma, Z. Kvantizēta lauka efekta tunelēšana starp topoloģiskās malas vai saskarnes stāvokļiem. Fizik. Rev. Lett. 2019, 123, 206801. [CrossRef] [PubMed]

23. Dēls, YW; Koens, ML; Louie, SG Pusmetāla grafēna nanolentes. Daba 2006, 444, 347–349. [CrossRef]

24. Afzalians, A.; Pourtois, G. Atomos: Atomiskā modelēšanas risinātājs izkliedējošai dft transportēšanai ultra-mērogota hfs2 un melnā fosfora mosfetos. In Proceedings of the 2019 International Conference on Simulation of Semiconductor Processes and Devices (SISPAD), Udine, Itālija, 2019. gada 4.–6. septembris; 1.–4.lpp.

25. Afzalian, A. Ab initio perspektīva ultra-mērogotām CMOS no 2D materiāla pamatiem līdz dinamiski leģētiem tranzistoriem. NPJ 2D Mater. Appl. 2021, 5., 5. [CrossRef]

For more information:1950477648nn@gmail.com