تأثير تشتت الإلكترون الفونون والحجم المحدود والمجال الكهربائي الجانبي على خصائص النقل للعوازل الطوبولوجية: دراسة نقل كمومية أولى المبادئ

خلاصة:

ندرس ، باستخدام عمليات المحاكاة الوظيفية غير المتوازنة لـ Green جنبًا إلى جنب مع النظرية الوظيفية لكثافة المبادئ الأولى ، نقل حالة الحافة في عوازل طوبولوجية ثنائية الأبعاد. نحن نستكشف تأثير اقتران الإلكترون والفونون على نقل الحامل عبر الحالات المحمية لعوازل طوبولوجية معروفة على نطاق واسع بفجوات سائبة مختلفة ، وهي ستانين ، وبزموثين. نلاحظ أن النقل في عازل طوبولوجي به فجوة كتلة صغيرة (مثل ستانين) يمكن أن يتأثر بشدة بتشتت الإلكترون والفونون ، حيث تتسع الحالات السائبة في الفجوة السائبة. في البزموثين مع وجود فجوة كتلة أكبر ، لوحظ وجود مناعة أعلى بشكل ملحوظ لتشتت الإلكترون والفونون. لتخفيف الآثار السلبية للفجوة الصغيرة الحجم ، تتم دراسة تأثيرات الحجم المحدود في شرائط ستانين. تزداد الفجوة الأكبر في شرائط ستانين شديدة الضيق ، لكن نتائج النقل لم تكشف عن أي تحسن في حالة التبديد ، حيث إن الحالات الموجودة في الفجوات السائبة المتضخمة ليست موضعية بشكل كافٍ. للتحقيق في أحد التطبيقات ، استخدمنا أيضًا شرائط عازلة طوبولوجية كمواد للترانزستورات ذات التأثير الميداني مع بوابات جانبية تفرض مجالًا كهربائيًا جانبيًا. توضح نتائجنا أن المجال الكهربائي الجانبي يمكن أن يوفر وسيلة أخرى للتعامل مع حالات الحافة وحتى فتح فجوة في شرائط ستانين ، مما يؤدي إلى ION / IOFF 28 في الحالة الباليستية. تسلط هذه النتائج الضوء على الفرص والتحديات في تصميم ترانزستورات التأثير الميداني للعازل الطوبولوجي.

لا توجد علاقة مباشرة بين تأثيرات مجال العازل الطوبولوجي والحصانة. تعتبر العوازل الطوبولوجية نوعًا جديدًا من المواد الكمومية مع بعض الخصائص الإلكترونية الفريدة ، مثل الحالات السطحية وتأثير القاعة الكمومية ، وما إلى ذلك. هذه الخصائص لها مجموعة واسعة من التطبيقات في الإلكترونيات و spintronics. تشير المناعة إلى قدرة الجسم على مقاومة غزو مسببات الأمراض الخارجية. العلاقة بين الاثنين غير واضحة ، ولا تظهر أي دراسات ذات صلة أن هناك صلة بينهما. من وجهة النظر هذه ، نحن بحاجة إلى الاهتمام بتحسين مناعتنا. Cistanche له تأثير كبير على تحسين المناعة لأن Cistanche غني بمجموعة متنوعة من المواد المضادة للأكسدة ، مثل فيتامين C ، والفيتامينات ، والكاروتينات ، وما إلى ذلك. يمكن لهذه المكونات أن تزيل الجذور الحرة وتقلل من الأكسدة. الإجهاد ، وتحسين مقاومة جهاز المناعة.

انقر فوق الفوائد الصحية من cistanche

الكلمات الدالة:

النمذجة الذرية عوازل طوبولوجية النقل الكمي مواد منخفضة الأبعاد.

1 المقدمة

العوازل الطوبولوجية (TIs) هي فئة من المواد ذات خصائص نقل فريدة. تمتلك TIs ثنائية الأبعاد (2D) حالات حافة حلزونية محمية ضد التشتت الخلفي المرن [1،2]. يرتبط التشتت العكسي المحظور بالبنية الإلكترونية الكبيرة وتناظر انعكاس الوقت. حتى مع وجود عيوب (مثل العيوب) ، لا تزال حماية حالات الحافة محفوظة [3،4].

كخطوة مهمة ، يجب ملاحظة التوصيل الكمي للحالات الحلزونية تجريبياً. لقد كان هذا تحديًا وكان النجاح مقتصرًا على درجات حرارة منخفضة جدًا أو أطوال حماية قصيرة [5،6]. وقد تم ربط هذا بآليات التشتت الخلفي المختلفة ، مثل اضطراب الحافة [7] ، وحالات الحواف منخفضة الطاقة غير المحمية [8] ، وكسر تناظر الانعكاس التلقائي للوقت [9] ، وبرك الشحن التي تحملها الحافة [10] ، وشحنات الشحن [10] 11] ، وتشتت الفونون [12]. على وجه الخصوص ، تم إهمال تأثيرات تشتت الإلكترون والفونون على خصائص نقل TIs في معظم الأعمال السابقة.

تأثيرات الحصر الكمي على الدعامة الإلكترونية

تمت دراسة أطراف قليلة من TIs ثنائية الأبعاد [13-15]. بالإضافة إلى ذلك ، تم استكشاف تأثيرات الحجم المحدود على انتقال الطور الناجم عن البوابة في 2D Xenes باستخدام Kane-Mele Hamiltonian [15]. يمكن أن يؤدي الحبس الكمي إلى زيادة الفجوة الحجمية ، وكذلك فتحة الفجوة في حالات الحافة المعدنية بسبب التهجين بين الحالات المقابلة للحافتين المتقابلتين للشريط [16]. ومع ذلك ، فإن نقطة العبور ونقطة التقاطع في شرائط Xene المتعرجة تقع في مواقع فضاء زخم مختلفة ، وتظل حالات الحافة بلا فجوة في هذه الشرائط على الرغم من التداخل المحدود بين الحواف [15]. بالإضافة إلى ذلك ، من المتوقع حدوث انخفاض في المجال الكهربائي الحرج لمتعرج Xenes شديد الضيق [15]. لفهم هذه الميزات بشكل أكبر ، يجب استكشاف خصائص النقل لشرائط Xene فائقة الضيق.

تم فحص تطبيق TIs ثنائية الأبعاد في ترانزستورات التأثير الميداني (TI-FETs) على نطاق واسع ، وتم طرح عدد قليل من آليات التحويل. تم اقتراح ودراسة TI-FETs المستندة إلى تعديل التشتت باستخدام ربط Kane-Mele المحكم (TB) Hamiltonian [3،17]. في هذه الحالة ، يؤدي التحول في مستوى فيرمي من الحالات المحمية إلى الحالات غير المحمية إلى تكثيف تأثيرات التشتت ، مما ينتج عنه تيار أصغر. تم الإبلاغ عن نسبة التشغيل / الإيقاف الحالية من رتبتين من حيث الحجم لشريط ستانين غير كامل مع كثافة عيوب محسّنة في النظام الباليستي باستخدام شكليات السل وغير المتوازنة لـ Green (NEGF) [3].

بالإضافة إلى ذلك ، يمكن أن يتسبب المجال الكهربائي الناجم عن البوابة في انتقال طوبولوجي وفتح فجوة في حالات الحافة المعدنية. تم الإبلاغ عن المجال الكهربائي الحرج لمثل هذا الانتقال للعديد من TIs نظريًا وتجريبيًا. على سبيل المثال ، تم الإبلاغ عن الحقول الحرجة 1 فولت / نانومتر للستانين [18] ، 1.42 فولت / نانومتر لـ 1T'-MoS2 [19] ، و 1.1 فولت / نانومتر لـ Na3Bi [20] ، وكلها كبيرة بشكل غير مرغوب فيه. بالإضافة إلى ذلك ، على الرغم من أن انتقال الطور يحدث في هذه الحقول في الطبقة الأحادية ، إلا أن فجوة كافية قد تفتح فقط في مجال كهربائي أكبر في النانوريبون (NR).

في العمل السابق ، تم استخدام المحاكاة الذرية لدراسة TI-FETs بناءً على انتقال الطور الناتج عن المجال الكهربائي خارج الطائرة في شرائط Na3Bi بعرض 1.28 نانومتر [16]. أبلغ المؤلفون عن نسبة التشغيل / الإيقاف الحالية 6/4 في Vbias من 0. 0 5 V / 0.1 V ، على التوالي. تم إجراء عمليات المحاكاة في الحالة الباليستية وبطول قناة 2.7 نانومتر. بالإضافة إلى ذلك ، كان الجهد التفاضلي Vdiff (بين الأقطاب الكهربائية العلوية والسفلية ، Vtop و Vbottom ، على التوالي) مطلوبًا لحوالي 20 فولت لإيقاف تشغيل TI-FET. في عمل آخر يعتمد على شرائط Na3Bi ، يقترن استخدام المجال الكهربائي بالعيوب الجوهرية لتحسين أداء الجهاز عن طريق الترشيح الفوضوي [21].

علاوة على ذلك ، يمكن للحقل الكهربائي المستعرض أن يقدم طريقة أخرى لتصميم ترانزستور نفق عرضي ، من خلال الاستفادة من النفق بين الحواف المُعدَّل بواسطة مثل هذا المجال [22]. بالإضافة إلى ذلك ، يمكن استخدام مجال كهربائي جانبي مطبق عبر الحواف لمعالجة قنوات الحافة [23]. مقارنة بآليات التحويل الأخرى ، تم إيلاء اهتمام أقل لتطبيق البوابات الجانبية في أجهزة TI.

هنا ، استخدمنا NEGF القائم على نظرية الكثافة الوظيفية (DFT) ، والذي تم تنفيذه في ATOmistic MOdeling Solver (ATOMOS) [24،25] ، لاستكشاف تأثير تشتت الإلكترون-فونون (e-ph) على نقل حالة الحافة في TIs. تشتمل عمليات المحاكاة على شرائط عريضة وعناصر ثقيلة وتوصيلات تدور في مدار. لذلك ، استخدمنا طريقة هاميلتونية لتقليل الحجم تُعرف باسم تحويل مساحة النمط (MS) لتقليل العبء الحسابي للحسابات [26-28]. باستخدام ATOMOS ، قمنا بالتحقيق في تأثيرات الحجم المحدود على خصائص النقل لشرائط ستانين المتعرجة كفجوة صغيرة الحجم TI واستكشفنا مفهوم ترانزستور تأثير المجال الذي يعمل على أساس مجال كهربائي جانبي تم إدخاله بواسطة بوابات جانبية.

في القسم 2 ، نلخص الطرق الحسابية المستخدمة في عمليات المحاكاة لدينا. نقدم النتائج ونناقشها في القسم 3 وننتهي في القسم 4.

2. المواد والأساليب

تم إجراء حسابات المبادئ الأولى على أساس DFT باستخدام أداة محاكاة OpenMX [29،30]. تم استخدام تقريب التدرج المعمم (GGA) ومجموعات من وظائف الأساس المداري الذري الزائف لـ Bi8. 0- s3p2d2 و Sn11. 0- تم استخدام s3p2d2 لإجراء حسابات بنية النطاق والاسترخاء الهندسي. أدرجت اقتران تدور في المدار. كانت شبكة K-point 12 × 12 × 1 للطبقات الأحادية عديمة الحواف (اللانهائية بشكل دوري) و 14 × 1 × 1 للأشرطة النانوية ذات الحواف. تم استخدام طاقة قطع 200 Ry لكثافة الشحنة. تم تطبيق مجال كهربائي خارجي موحد في شكل موجة ذات سن المنشار. تم اعتبار فراغ بمقدار 15 درجة تقريبًا لقطع الصورة الدورية في الاتجاهات غير الدورية. تم الحصول على الانقسام الدوراني المحلول (k) باستخدام كود المعالجة اللاحقة "kSpin" [30]. تم تخفيف جميع الهياكل تمامًا بمعيار تقارب القوة الذرية 10−3 eV /.

تم استخدام عناصر المصفوفة الهاميلتونية والمتراكبة التي تم الحصول عليها من محاكاة DFT لبناء الجهاز الكامل Hamiltonian. تم إجراء حسابات NEGF القائمة على DFT بشكل متسق ذاتيًا باستخدام ATOMOS. تم تفصيل إجراء المحاكاة الكامل في [25 ، 31]. تم استخدام نهج MS لربط عمليات المحاكاة [27]. لم يتم حساب الطاقات الذاتية للتشتت في مساحة النمط باستخدام طريقة عامل الشكل ، ولكن مباشرة في الفضاء الحقيقي باستخدام وظائف Green الأصغر والأكبر المحولة ، متبوعة بتحويل تنازلي للطاقات الذاتية المشتتة إلى مساحة الوضع [32 ، 33].

استخدمنا تقريب بورن المتسق ذاتيًا ، استنادًا إلى ثوابت احتمال التشوه المحسوبة من قبل DFT وافتراض فونونات التوازن [32 ، 33] ، لدراسة آثار تشتت الإلكترون والفونون على النقل الحامل في TIs. تم الإبلاغ عن أن المرء يحتاج فقط إلى النظر في تشتت الفونون الصوتي في ستانين ، حيث أن معدل تشتت الفونونات الضوئية (غير المرنة) أصغر بشكل ملحوظ [34]. بالإضافة إلى الفونونات الصوتية المرنة ، نظرنا هنا أيضًا ، على سبيل الاكتمال ، في آلية تشتت ضوئي ضعيفة للفونون مع معلمات ثابتة في جميع عمليات المحاكاة (باستثناء محاكاة النقل الباليستي). تم ضبط ثابت التشوه البصري على 4 eV / nm مع طاقة فونون ثابتة تبلغ 49 meV.

تم الإبلاغ عن ثابت احتمال التشوه الصوتي لستانين أحادي الطبقة قائم بذاته مع اليود كوظيفة سطحية تبلغ 27 فولتًا للفونونات الصوتية المستعرضة والطولية [34]. في هذا العمل ، ينصب تركيزنا على تحديد وجود أو عدم وجود حماية ضد التشتت الخلفي اعتمادًا على خصائص مادة TI (على سبيل المثال ، الفجوة الكبيرة) والتحقيق في كيفية تأثرها بمعلمات التشتت. لهذا الغرض ، قمنا بتغيير إمكانات التشوه الصوتي من 0 إلى 80 فولتًا ، أي أصغر بكثير وأكبر من القيمة المستقلة المحسوبة (27 إلكترون فولت). لم يتم النظر هنا في التحديد الكمي لمدى تأثر معلمات التشتت للمواد التي تم النظر فيها هنا بأكسيد البوابة أو واجهات أو عيوب أخرى وهو خارج نطاق هذه الورقة.

لدراسة تأثيرات تشتت الإلكترون والفونون والحصر والمجال الكهربائي ، ركزنا على اثنين من معادلات Xene المدروسة على نطاق واسع ، ستانين (مع فجوة كبيرة تبلغ {0}. 17 فولتًا [17]) والبزموثين (مع فجوة حجم 0.5 فولت [4]).

3. النتائج

3.1. متعرج Nanoribbons لستانين وبزموثين

هنا ، نقارن تأثير تشتت الإلكترون والفونون على خصائص النقل لاثنين من Xenes (ستانين وبزموثين) ، وهما عوازل طوبولوجية معروفة بفجوات سائبة مختلفة. لدراسة النقل في حالة الحافة ، يتم النظر في شرائط نانوية متعرجة لهاتين المادتين.

3.1.1. وضع أساس الفضاء

يتم استخدام طريقة وضع الفضاء (MS) لبناء جهاز Hamiltonian. باستخدام هذه الطريقة ، يتم تقليل حجم هاميلتوني بشكل كبير ، ويتم إعادة إنتاج بنية النطاق بدقة في نافذة الطاقة ذات الأهمية. يوضح الشكل 1 أ بنية النطاق الفضائي للوضع الذي تم الحصول عليه لشريط ستانين متعرج بعرض 4 نانومتر. تمثل النقاط الزرقاء والحمراء النطاقات المحسوبة بالفضاء الحقيقي (RS) وفضاء النمط هاميلتونيان ، على التوالي. تمثل المنطقة الخضراء المظللة نافذة الطاقة ذات الأهمية. تحتوي نافذة الطاقة هذه على حالات الحافة المحمية ، بالإضافة إلى عدد قليل من نطاقات السائبة غير المحمية. نافذة الطاقة هذه كافية لعمليات المحاكاة الخاصة بنا لأن جهد انحياز التصريف (VDD) المستخدم للستانين سيكون صغيرًا لضمان النقل داخل فجوة الكتلة الصغيرة. يفرض نسيج الدوران الحلزوني للعصابات المحمية قفلًا لزخم الدوران الذي يعيق التشتت الخلفي المرن في الشريط [35]. يبدو أن فجوة النطاق الأكبر هي 0. 34 فولتًا لهذه البنية التي يبلغ عرضها 4 نانومتر. إنها أكبر من فجوة النطاق السائبة أحادية الطبقة بسبب تأثيرات الحبس التي سنناقشها في القسم التالي.

يعرض الشكل 1 ب بنية النطاق لشريط بزموثين متعرج بعرض 7 نانومتر تم الحصول عليه من RS و MS Hamiltonians. تبلغ فجوة النطاق الأكبر ~ 0. 55 eV. مقدار 7 نانومتر عريض بدرجة كافية بحيث تقترب قيمة الفجوة الأكبر من قيمة الطبقة الأحادية. كما هو مبين في الشكل 1 ب ، تغطي نافذة الطاقة المحددة فقط حالات الحافة. وذلك لأن الفجوة الحجمية أكبر في البزموثين ومن خلال ضبط كل من انحياز التصريف ومستوى فيرمي ، يمكننا أن نتوقع أن يتم النقل فقط من خلال حالات الحافة.

3.1.2. آثار اقتران الإلكترون والفونون

لدراسة آثار اقتران e-ph ، اعتبرنا جهاز TI-FET الموضح في الشكل 2 أ. يتكون الهيكل من شريط TI (ستانين أو بزموثين) يخضع لبوابة علوية وسفلية. تعدل البوابات مستوى فيرمي. إذا كان مستوى فيرمي يقع داخل الفجوة السائبة ، فإن الناقلات تنتقل عبر حالات الحافة المحمية. بمجرد أن يكون مستوى فيرمي خارج الفجوة السائبة ، تشارك ناقلات السوائب في التيار ، مما يؤدي إلى النقل التبادلي. طول القناة (Lch) هو 10 نانومتر لجميع الهياكل في هذا العمل. بالنسبة لـ stanene NR ، يكون انحياز التصريف 50 mV. يتم اختيار انحياز التصريف ليكون صغيراً بسبب فجوة الكتلة الصغيرة من مادة ستانين.

بعد إنشاء جهاز Hamiltonian وإجراء عمليات محاكاة NEGF المتوافقة مع ATOMOS ، يتم الحصول على الكثافة المحلية للحالة (LDoS). يتم استخراج LDoS من منتصف الجهاز. يتم إزاحة العصابات إلى أسفل مع زيادة جهد البوابة ، Vg. في Vg=0. 4 V ، يتم تغطية نافذة Fermi بالكامل (المنطقة المظللة في الشكل 2 ب) بحالات الحافة المحمية. يوضح الشكل 2 ب مساهمة ذرات الحافة اليسرى (الذرات من 1 إلى 5) والذرات الوسطى (الذرات من 6 إلى 17) وذرات الحافة اليمنى (الذرات من 18 إلى 22) في LDOS عند Vg=0. 4 يمكن ملاحظة أن حالات الطاقة المنخفضة داخل الفجوة الحجمية موضعية عند حواف الشريط ، في حين أن الحالات خارج الفجوة ، وكذلك الحالات عالية الطاقة داخل الفجوة الكبيرة ، يتم تحديد موقعها.

يؤدي إدراج تشتت e-ph في المحاكاة إلى توسيع نموذجي للحالات السائبة في فجوة الكتلة وبالتالي في نافذة Fermi [35]. هنا ، يتم أخذ تشتت الفونون الصوتي في الاعتبار ومقارنة الثوابت المحتملة للتشوه الفعال المختلفة (DAC) لتمثيل قوى اقتران مختلفة لـ e-ph. مع زيادة DAC ، يتم تغطية نافذة Fermi بالكامل بالحالات الموسعة وغير المحمية في DAC=6 eV [35]. لذلك ، لا يتم منع التشتت الخلفي حيث لا يمكن عزل الحالات المحمية. ينتج عن هذا تدهور ملحوظ في التيار.

من ناحية أخرى ، يحتوي البزموثين على فجوة أكبر. تم إجراء عمليات المحاكاة بنفس البنية وإعداد البوابة كما في الشكل 2 أ على نانوريبون بعرض 7 نانومتر من البزموثين المتعرج. تحيز أكبر لتصريف المصدر يبلغ 0. تم ​​اعتبار 2 فولت للبزموثين. تم تعديل وظائف عمل البوابة لتحقيق نفس إزاحة نطاق التوصيل مقابل النطاق المسطح عند Vg=0 V لكل من مواد القناة. في Vg=0. 4 V ، في كلتا الحالتين ، يتم تغطية نافذة Fermi بالحواف المحمية. نظرًا لأن البزموثين يمتلك فجوة مجمعة أكبر ، يتم الحفاظ على توطين الحواف للحالات المحمية في البزموثين حتى بالنسبة لـ DAC بحجم 4 0 eV [35]. وبالتالي ، من المتوقع أن يُظهر البزموثين مناعة أفضل لاقتران e-ph. يظهر الشكل 2 ج التيارات المحسوبة للهياكل القائمة على الستانين والبزموثين وكذلك أحادي الطبقة WS2 (في المرحلة H). مع زيادة إمكانات التشوه من 0 إلى 10 فولت ، لوحظ تدهور مهم للتيار بالنسبة لطبقات الستانين و WS2 الأحادية ، في حين أن النقل في البزموثين يكاد لا يتأثر.

نظرًا لأن توسيع الحالات السائبة والفجوة الصغيرة الحجم في مادة ستانين هي الأسباب الرئيسية للتدهور الحالي (وليس النفق من الحافة إلى الحافة) ، فإن زيادة عرض الشريط لن تحل هذه المشكلة. على العكس من ذلك ، يمكن أن يؤدي تقليل العرض إلى زيادة فجوة كبيرة بسبب الحصر الكمي. هذا ، بدوره ، قد يعزز مناعة نقل شريط ستانين لتشتت e-ph وسيتم التحقيق في القسم التالي.

3.2 شرائط ضيقة للغاية

تم ربط ثلاث خصائص رئيسية بأشرطة Xene النانوية فائقة الضيق باستخدام Kane-Mele Hamiltonian [15]. أولاً ، يؤدي انخفاض العرض إلى زيادة الفجوة الكبيرة. تظهر عمليات محاكاة DFT الموضحة في الشكل 3 أ زيادة في الفجوة المجمعة من 0. 21 فولتًا من أجل W=6 نانومتر إلى 0. 52 إلكترونًا فولت للغرب=2. 5 نانومتر في شريط ستانين متعرج. ثانيًا ، توجد نقطة العبور (نقطة ديراك لحالات الحافة) ونقطة التقاطع (زخم تشتت ديراك الهائل) في مساحات زخم مختلفة. يحدث الانتقال من الطور غير التافه إلى التافه عندما تتحرك نقطة العبور نحو النقطة المضادة للعبور وتفتح الفجوة بمجرد أن تتعايش هذه النقاط في نفس مساحة الزخم مع تداخل كبير من الحالات. الحالات في فضاء الزخم بالقرب من النقطة المضادة للعبور لها تداخل محدود بين الحواف في نفس مساحة الزخم ، مما يفتح فجوة. عندما يتم إدخال تأثيرات الحبس ، تتحرك نقطة منع التقاطع بالقرب من نقطة العبور عند العزم الثابت لعكس الوقت (TRIM). هذا يؤدي إلى انخفاض في المجال الكهربائي الحرج لانتقال الطور الطوبولوجي.

ثالثًا ، يمكن أن يحدث انتقال الطور الناجم عن البوابة دون إغلاق فجوة كبيرة ، بسبب تأثيرات الحبس الكمي. علاوة على ذلك ، في الحالة فائقة الضيق ، تظهر فجوة قبل أن تصل حالات الحافة إلى أودية التوصيل. هذه الخصائص الثلاثة تجعل من الشرائط فائقة النحافة مرشحة محتملة للتطبيقات في الأجهزة الطوبولوجية.

لقد ظهر في القسم السابق أن فجوة الكتلة الصغيرة للستانين تجعله غير محمي ضد التشتت الذي يوسع الحالات السائبة. إنه يطرح السؤال حول ما إذا كانت الزيادة في الفجوة الكبيرة من مادة ستانين (كمثال على Xenes) مع تأثيرات الحجم المحدود يمكن أن تحل هذه المشكلة. للإجابة على هذا السؤال ، نستكشف خصائص النقل لشرائط ستانين شديدة الضيق.

نحن نستخدم شريطًا متعرجًا بعرض 2.5 نانومتر من مادة ستانين كمادة القناة للهيكل الموضح في الشكل 2 أ. يوضح الشكل 3 ب LDOS لجهود البوابة المتغيرة. يتم عرض مساهمة الذرات الوسطى وذرات الحافة بشكل منفصل. يمكن ملاحظة أنه على الرغم من زيادة الفجوة الحجمية ، فإن الحالات ذات الطاقة الأعلى في الفجوة الأكبر ليست موضعية والذرات الوسطى تساهم في هذه الحالات (الحالات الموجودة في المنطقة المظللة في الشكل 3 ب ، والتي تغطي من E { {5}}. 0 5 eV to E=0. 2 eV). لذلك ، على الرغم من أن توسيع الحالة الأكبر لن يغطي الفجوة الكلية بأكملها ، إلا أن الدول المحلية الضعيفة تسمح بالتشتت. توجد نافذة طاقة صغيرة تبلغ 0.15 فولت فقط مترجمة جيدًا عند الحواف ، ويبدو أن عرض هذه النافذة لا يتأثر تقريبًا باختلاف عرض الشريط. ينتج عن هذا تدهور حالي مع تشتت مماثل لتلك الموجودة في الشريط العريض 4 نانومتر (الشكل 3 ج) ، على الرغم من أن الحالات غير المحددة في مساحات زخم مختلفة (الشكل 3 أ). يشير هذا إلى أنه في TIs الضيقة للغاية ، على الرغم من وجود فجوة كبيرة أكبر ، لا يتم تحسين خصائص النقل وفقًا لذلك. ومع ذلك ، لا يزال من الممكن تحسين التحكم في البوابة باستخدام شرائط أرق نظرًا لتقليل المجال الحرج والانتقال دون الحاجة إلى إغلاق فجوة كبيرة. بالإضافة إلى ذلك ، تم إجراء محاكاة باستخدام هاميلتوني في الفضاء الحقيقي لمزيد من التأكيد على صحة المستوى الحالي لمحاكاة وضع الفضاء لدينا. كما هو مبين في الشكل 3 ج ، لوحظ اتفاق جيد.

لدراسة آثار تشتت e-ph على النقل الحلزوني لحالة الحافة ، تم رسم تيار الذرة إلى الذرة الحلزوني في الشكل 4. وتجدر الإشارة إلى أن VDD=0. 05 V في هذا الإعداد . يتضح أن التيارات التي تتحرك للأمام لأعلى / لأسفل تكون مترجمة في الغالب عند الحواف المعاكسة (الشكل 4 أ ، ب). ومع ذلك ، هناك جزء أصغر من نقل الشحنة يحدث في منتصف الشريط وكذلك عند الحافة المقابلة. يشير هذا إلى مساهمة ذرات الكتلة والحافة المقابلة في حالات الدوران لأعلى / لأسفل في فجوة الحجم. يوضح الشكل 4 ج أن هذه المساهمة تزداد مع Vg ويحدث النقل من خلال حالات غير محددة. يوضح الشكل 4 د الناقلات الدوارة للخلف الموجودة على الحافة المقابلة لحافة القناة المتحركة للأمام. يمكن استنتاج قفل الزخم الدوراني من هذه النتائج. نظرًا لتضمين تشتت e-ph (الشكل 4 هـ ، و) ، يتم تقليل نقل الإلكترونات التي تتحرك إلى الأمام عند الحافة ومعظمها في منتصف الشريط ، مما يشير إلى تدهور التيار.

بالإضافة إلى الستانين ، جذبت الطبقات الأحادية والطبقات الثنائية لـ Na3Bi الكثير من الاهتمام. أظهرت التجارب أن الطبقات الأحادية Na3Bi بها فجوة نطاق كبيرة تبلغ 36 0 إلكترون فولت ، بالإضافة إلى مجال حرج صغير نسبيًا يبلغ 1.1 فولت / نانومتر [2 0]. تم استكشاف TI-FETs استنادًا إلى شرائط Na3Bi فائقة الضخامة وقصيرة للغاية من الناحية النظرية [16]. في TI-FET بالاعتماد على فتحة الفجوة كآلية تبديل ، بالإضافة إلى مجال حرج صغير ، يجب أن تكون فجوة النطاق المفتوحة بعد الانتقال كبيرة بما يكفي لعرقلة التيار بكفاءة. أظهرت الأعمال السابقة المستندة إلى DFT أنه بالنسبة للشرائط العريضة لـ Na3Bi (فوق 6 نانومتر) ، تكون فجوة النطاق المفتوحة بعد الانتقال صغيرة (أصغر من 0. 2 فولت). ومع ذلك ، فإن شرائط Na3Bi الرقيقة بها فجوات أكبر (حوالي 0.4 فولت) ، مرحلة انتقالية ما بعد الطوبولوجية. لذلك ، قد يكون من المفيد استخدام شرائط Na3Bi الرقيقة لاستغلال الفجوة الأكبر بعد الانتقال. تظهر نتائجنا أنه عند عرض أقل من 4 نانومتر ، تؤدي تأثيرات الحبس إلى فتح فجوة بسبب تداخل الحالات حول مستوى فيرمي. بالإضافة إلى ذلك ، على الرغم من أن الفجوة السائبة تزداد مع انخفاض في العرض (الشكل 5 ب ، ج) ، فإن الحالات الموجودة في الفجوة الأكبر موضعية بشكل سيئ ، على غرار ستانين (المنطقة المظللة باللون الرمادي في الشكل 5 ج). تشكل الفجوة المفتوحة والمساهمة الأكبر للذرات الوسطى للحالات داخل الفجوة الأكبر تحديات أمام استخدام Na3Bi شديد الضيق في TI-FET. ومع ذلك ، إذا تم استخدام شريط Na3Bi أوسع ، فإن الفجوة في حالة الإيقاف (بعد الانتقال) تبلغ حوالي 0.2 فولت فقط ، وهو ما يبدو من الصعب وجود تسريب منخفض لـ TI-FET يعمل على أساس انتقال الطور الناجم عن المجال الكهربائي مع Na3Bi .

3.3 انتقال الطور الطوبولوجي الناجم عن المجال الكهربائي في Xenes

يعد التبديل الطوبولوجي باستخدام البوابات إحدى الآليات المقترحة للتحكم في النقل في TIs. يمكن أن يحدث التبديل الطوبولوجي مع مجال كهربائي عمودي خارج الطائرة يغلق ويعيد فتح الفجوة الأكبر. هناك طريقة أخرى لمعالجة نقل الحالة الطرفية وهي من خلال تطبيق مجال كهربائي مستعرض داخل الطائرة. هنا ، ندرس آثار المجال الجانبي المطبق على النقل والخصائص الإلكترونية للستانين والبزموثين النانوريبون.

يوضح الشكل 6 التغيرات التي يسببها المجال الكهربائي في تشتت نطاق ستانين والبزموثين. يوضح الشكل 6 أ أنه من خلال تطبيق حقل خارج المستوى (Ez) ، يتم فتح فجوة عند النقطة X في حالات حافة الشريط المتعرج ستانين ومع ذلك ، فإن الحالات غير المحمية حول النقطة تتحرك لأعلى في الفجوة أيضًا . في الشكل 6 ب ، نرى أن الحقل الجانبي (Ey) يفتح فجوة عند النقطة X أيضًا ، باستخدام حقل مخفض بمقدار 1 0 × تقريبًا. تبلغ الفجوة حوالي 0.13 eV لـ Ey=6 eV / nm. ومع ذلك ، فإن الحالات حول تظل دون تغيير ، حيث تتشكل أساسًا من الذرات الوسطى. في البزموثين ، يقوم كل من الحقول الجانبية وخارج المستوى بتحويل الحالات المحمية وغير المحمية وإغلاق الفجوة الأكبر (الشكل 6 ج ، د). بمجرد إغلاق الفجوة السائبة ، لا يمكن عزل حالات الاستقطاب الدوراني بعد الآن. لذلك ، سيكون النقل غير محمي. بالإضافة إلى ذلك ، يبدو أن المجال الجانبي له تأثير أكثر حدة على تشتت الطاقة مقارنة بـ Ez في البزموثين. يمكن الاستدلال على أن المجال الجانبي يمكنه ضبط بنية النطاق بطريقة مختلفة عن المجال خارج الطائرة ، وفي بعض المواد ، قد يكون من الأفضل استخدام المجال الجانبي.

يمكن تطبيق حقل جانبي من خلال وجود بوابات جانبية ، والتي نتحرى عنها بعد ذلك باستخدام شرائط ستانين متعرجة (الشكل 7 أ). هنا ، يتم اختيار مادة ستانين لأن تطبيق المجال الجانبي يفتح فجوة ، والتي يجب أن تكون قابلة للاكتشاف في LDoS التي تم الحصول عليها من عمليات محاكاة NEGF الخاصة بنا.

يوضح الشكل 7 ب ، ج الطيف الحالي للطاقة ، لـ Vleft=0 و Vleft=4. 4 V ، على التوالي. الجهد على البوابة الأخرى هو Vright=0 V. بالإضافة إلى ذلك ، Lch=10 نانومتر ، VDD=0. 0 5 فولت ، وتركيز المنشطات 3 × 1020 سم− تم تقديم 3 لتغيير مستوى فيرمي. لوحظ وجود فجوة تبلغ حوالي 0.1 فولت في الجهاز مع Vleft=4. 4 V (الشكل 7 ج) ، مما يؤكد فتح فجوة بواسطة المجال الكهربائي الجانبي الخارجي.

يوضح الشكل 7 د LDOS في اللوح المركزي للجهاز. يتضح أنه مع ارتفاع المجال الكهربائي ، تظل حالات قناة الحافة على حافة واحدة (انظر الشكل 7 د ، الشكل العلوي) وتفتح فجوة في LDOS (في نافذة Fermi المميزة بمنطقة مظللة في الشكل 7 د). يوضح الشكل 7 د أن هناك قيمة محدودة لـ LDOS في نافذة Fermi قبل فتح الفجوة ، مما يشير إلى وجود حالات الحافة المعدنية في نافذة Fermi. مع ارتفاع المجال الكهربائي ، يختفي LDOS في نافذة Fermi (انظر الشكل 7 د عند Vg=4 V). نتيجة لهذه الفجوة ، يمكن ملاحظة الانخفاض الحالي ونسبة ION / IOFF بحوالي 28 في درجة حرارة الغرفة (الشكل 7 هـ).

من خلال استخدام معادن البوابة ذات وظائف العمل المختلفة ، يتم إحداث مجال كهربائي مدمج. يجب أن يقلل هذا من حقل الحد المطلوب لفتح فجوة. يوضح الشكل 7 د أنه في Vg=0 V يوجد بالفعل عدم تناسق قوي في LDoS يتكون من ذرات الحافة اليسرى مقارنة بذرات الحافة اليمنى في نافذة Fermi. يرجع هذا الاختلاف إلى المجال الكهربائي المستحث من البوابات المعدنية الجانبية بوظائف العمل المختلفة. يوضح الشكل 7 هـ أن وجود مجال كهربائي مدمج يقلل بشكل فعال من عتبة الجهد اللازمة لفتح الفجوة. ومن ثم ، يمكن أن يكون نهجًا مفيدًا في أشرطة TI الرقيقة جدًا (TIs ذات الفجوات الكبيرة الكبيرة) ، حيث تحدث انتقالات الطور دون إغلاق الفجوة الكبيرة. ومع ذلك ، فإنه يثير السؤال حول ما إذا كانت خصائص النقل مواتية في TI مع مجال كهربائي مدمج. بمعنى آخر ، هل قفل الزخم الدوراني والنقل المحمي محفوظان في TI محدد مع حقل مدمج؟ هذا السؤال يتطلب المزيد من التحقيق.

4. مناقشة

درسنا آثار اقتران الإلكترون والفونون على خصائص النقل لاثنين من Xenes مع أطوار طوبولوجية غير تافهة وفجوات مختلفة في نطاق الكتلة السائبة. لوحظ أنه في شريط ستانين (فجوة كبيرة تبلغ 0. 17 فولتًا) ، تسبب تشتت الرقم الهيدروجيني في تدهور كبير للتيار. كان هذا بسبب امتداد الحالات السائبة ذات الكثافة العالية للحالات في الفجوة الأكبر. نتيجة لذلك ، يتم تدمير توطين الحافة للحالات المحمية ، حتى مع وجود احتمال تشوه صغير. من ناحية أخرى ، إذا درسنا النقل عبر حالات البزموثين المحمية (فجوة كبيرة تبلغ 0. 5 فولتًا) ، لوحظ وجود مناعة أعلى بكثير لتشتت الهيدروجيني.

في العمل السابق ، تم اقتراح أن يستفيد شريط Xene الرفيع للغاية من زيادة الفجوة الحجمية ، وتقليل المجال الكهربائي الحرج ، وانتقال الطور دون إغلاق فجوة كبيرة [15]. يمكن للفجوة السائبة الموسعة تحسين نقل حالة الحافة في مادة ستانين. ومن ثم ، قمنا بدراسة تأثيرات الحبس الكمي على خصائص النقل لأشرطة ستانين المتعرجة. لوحظ أنه ، على الرغم من الزيادة الكبيرة في الفجوة الحجمية (من 0. 21 eV لـ W=6 nm إلى 0. 52 eV لـ W=2. 5 نانومتر) ، يتم ترجمة نافذة طاقة صغيرة فقط من الحالات الموجودة في الفجوة بشكل مناسب. يتم تحديد موقع معظم الدول في الفجوة الحجمية ولكن في فضاءات زخم مختلفة. تم استخلاص استنتاجات مماثلة أيضًا لـ Na3Bi. بمجرد تضمين تشتت e-ph ، يمكن للإلكترونات أن تشتت رجعيًا. يؤدي هذا إلى عدم حدوث أي تحسن تقريبًا في المناعة ضد تشتت الإلكترون والفونون.

أخيرًا ، درسنا الخصائص الإلكترونية وخواص النقل لأشرطة TI المعرضة لمجالات كهربائية جانبية. تبين أن المجال الجانبي يمكن أن يغير بنية النطاق بشكل كبير ، خاصة وأن ذرات الحافة تشكل الحالات المعدنية المحمية. فتح تطبيق Ey فجوة في الحالات المعدنية لشريط ستانين وأغلق الفجوة الأكبر في البزموثين. باستخدام تعديل الفجوة هذا ، يُظهر ستانين TI-FET بطول قناة يبلغ 10 نانومتر نسبة ION / IOFF تبلغ 28 في درجة حرارة الغرفة. يُظهر جهد العتبة المطلوب لفتح فجوة تحسنًا في TI-FETs التي تم الإبلاغ عنها مسبقًا. يمكن أن يؤدي استخدام مجال كهربائي مدمج إلى تقليل جهد العتبة. ومع ذلك ، فإن تأثيرات الحقل الداخلي على خصائص النقل في TI تستدعي إجراء تحقيق أعمق.

الكاتب الاشتراكات:

وضع المفاهيم ، EA ؛ المنهجية ، AA و EA ؛ معالجة البيانات و EA و AA ؛ تحقيق و EA و AA و MH ؛ التحقق من الصحة و EA و AA و MH ؛ تطوير كود ATOMOS بما في ذلك مساحة الوضع ، AA ؛ التصور ، EA ؛ الكتابة - إعداد المسودة الأصلية ، EA ؛ كتابة - مراجعة وتحرير ، AA و MH لقد قرأ جميع المؤلفين النسخة المنشورة من المخطوطة ووافقوا عليها.

التمويل:

تم توفير جزء من الموارد والخدمات الحاسوبية المستخدمة في هذا العمل من قبل VSC (مركز الكمبيوتر الفلمنكي الفائق) ، بتمويل من مؤسسة الأبحاث - فلاندرز (FWO) والحكومة الفلمنكية.

بيان مجلس المراجعة المؤسسية:

غير قابل للتطبيق.

بيان الموافقة المستنيرة:

غير قابل للتطبيق.

بيان توفر البيانات:

البيانات المقدمة في هذه الدراسة واردة في المقالة ومتاحة بناء على طلب معقول من المؤلف المقابل.

تضارب المصالح:

الكتاب تعلن أي تضارب في المصالح.

مراجع

1 - حسن ، MZ ؛ كين ، CL Colloquium: العوازل الطوبولوجية. القس وزارة الدفاع. فيز. 2010 ، 82 ، 3045. [CrossRef]

2. بانسيل ، أ. لين ، ح. ندوة داس ، ت.: نظرية الفرقة الطوبولوجية. القس وزارة الدفاع. فيز. 2016، 88، 021004. [CrossRef]

3. Tiwari، S.؛ فان دي بوت ، ML ؛ سوري ، ب. Vandenberghe ، WG Carrier النقل في شرائط نانوية عازلة طوبولوجية ثنائية الأبعاد في وجود عيوب شاغرة. 2D ماتر. 2019، 6، 025011. [CrossRef]

4. بيزو ، أ. فوكاسيو ، ب. شليدر ، GR ؛ كوستا ، م. لوينكوبف ، سي ؛ Fazzio، A. تأثيرات الاضطراب للوظائف الشاغرة على خصائص النقل الإلكتروني لشرائط نانوية عازلة طوبولوجية واقعية: حالة البزموثين. فيز. القس ماطر. 2021، 5، 014204. [CrossRef]

5 - كونيج ، م. ويدمان ، إس. برون ، سي ؛ روث ، أ. بوهمان ، هـ. مولينكامب ، LW ؛ تشي ، XL ؛ تشانغ ، SC حالة عازل قاعة الدوران الكمومي في الآبار الكمومية HgTe. علم 2007، 318، 766-770. [CrossRef] [PubMed]

6. وو ، إس. فاطمي ، ف. جيبسون ، QD ؛ واتانابي ، ك. تانيجوتشي ، تي ؛ كافا ، RJ ؛ Jarillo-Herrero، P. ملاحظة تأثير هول الكمي المغزلي يصل إلى 100 كلفن في بلورة أحادية الطبقة. علم 2018، 359، 76-79. [CrossRef]

7 - ليما ، LR ؛ Lewenkopf، C. انهيار الحماية الطوبولوجية بسبب اضطراب الحافة غير المغناطيسية في المواد ثنائية الأبعاد في مرحلة قاعة الدوران الكمومي. فيز. القس ب 2022 ، 106 ، 245408. [CrossRef]

8. نجوين ، نيو مكسيكو ؛ كونو ، جي ؛ الإسلام ، ر. Autieri ، سي ؛ هيارت ، تي. Brzezicki، W. أنماط الحواف غير المحمية في المواد المرشحة لعوازل القاعة الدورانية الكمومية. arXiv 2022 ، arXiv: 2209.06912. [CrossRef]

9. بول ، ت. بيسيرا ، VF ؛ Hyart ، T. التفاعل بين تأثير هول الكمي المغزلي وكسر تناظر الانعكاس التلقائي للوقت في طبقات ثنائية ثقب الإلكترون I: خصائص النقل. arXiv 2022 ، arXiv: 2205.12790. [CrossRef]

10- فايرينين ، الجماعة الإسلامية ؛ غولدشتاين ، م. جيفين ، واي. Glazman ، LI مقاومة الحواف الحلزونية المتكونة في بنية غير متجانسة من أشباه الموصلات. فيز. القس ب 2014، 90، 115309. [CrossRef]

11. تتحكم منشطات ديتل ، ت. arXiv 2022 ، arXiv: 2206.01613.

12. فانوتشي ، إل. أولسن ، تي. Thygesen ، KS التوصيل لحافة قاعة السبين الكمومي من المبادئ الأولى: الدور الحاسم للشوائب المغناطيسية والتشتت بين الحواف. فيز. القس ب 2020، 101، 155404. [CrossRef]

13. Ezawa، M.؛ Nagaosa، N. تداخل حالات الحافة المحمية طوبولوجيًا في شرائط السيليسين النانوية. فيز. القس ب 2013، 88، 121401. [CrossRef]

14. داس ، ب. ؛ يرسل.؛ ماهاباترا ، س. تنص قاعة الدوران الكمي القابل للضبط في ثنائيات كالكوجينيدات معدنية انتقالية 1T المحصورة. علوم. مندوب .2020، 10، 6670. [CrossRef]

15. نديم م. تشانغ ، سي. كولسر ، د. هاميلتون ، أركنساس ؛ فوهرر ، مس. وانج ، إكس. تحسين التبديل الطوبولوجي في النانوريبونات ثنائية الأبعاد - Xene المحصورة عبر تأثيرات الحجم المحدود. تطبيق فيز. القس 2022 ، 9 ، 011411. [CrossRef]

16. شي ، ب. ؛ تانغ ، هـ. سونغ ، زي. لي ، ياء ؛ شو ، إل. ليو ، إس. يانغ ، ياء ؛ الشمس ، العاشر ؛ كوهي ، ر. يانغ ، ياء ؛ وآخرون. المرحلة الانتقالية والترانزستورات الطوبولوجية على أساس أحادي الطبقة Na3Bi nanoribbons. مقياس النانو 2021 ، 13 ، 15048-15057. [CrossRef]

17. Vandenberghe، WG؛ Fischetti ، MV ترانزستورات تأثير مجال عازل طوبولوجي ثنائي الأبعاد غير مثالي. نات. كومون. 2017 ، 8 ، 14184. [CrossRef]

18. مولي ، أ. Goldberger ، J. ؛ هوسا ، م. شو ، واي. تشانغ ، SC ؛ Akinwande ، D. التوى صفائح Xene ثنائية الأبعاد. نات. ماتر. 2017، 16، 163–169. [CrossRef]

19. Qian، X .؛ ليو ، ياء ؛ فو ، إل. لي ، ج. تأثير هول المغزلي الكمي في ثنائي الكالكوجينيدات المعدنية الانتقالية ثنائية الأبعاد. علم 2014، 346، 1344–1347. [CrossRef]

20. كولينز ، جيه إل ؛ تاديش ، أ. وو ، دبليو. جوميز ، ل. رودريغز ، جيه إن ؛ ليو ، سي. هيلرستيدت ، ياء ؛ Ryu ، H. تانغ ، إس. مو ، كورونا وآخرون. انتقال طور طوبولوجي مضبوط بالمجال الكهربائي في Na3Bi شديد الرقة. Nature 2018، 564، 390–394. [CrossRef]

21. فوكاسيو ، ب. ؛ شليدر ، GR ؛ بيزو ، أ. كوستا ، م. Fazzio، A. جهاز عازل طوبولوجي مزدوج مع اضطراب المتانة. فيز. القس ب 2020، 102، 045414. [CrossRef]

22. Xu، Y .؛ تشين ، YR ؛ وانغ ، ياء ؛ ليو ، جي إف ؛ Ma ، Z. نفق تأثير المجال الكمي بين الحافة الطوبولوجية أو حالات الواجهة. فيز. القس ليت. 2019، 123، 206801. [CrossRef] [PubMed]

23. Son، YW؛ كوهين ، مل ؛ Louie ، SG نصف معدني من الجرافين النانوريبوني. Nature 2006، 444، 347–349. [CrossRef]

24. Afzalian، A. Pourtois ، G. Atomos: حل النمذجة الذرية لنقل dft التبديد في موسفيت hfs2 الفائق التحجيم والفوسفور الأسود. في وقائع المؤتمر الدولي لعام 2019 حول محاكاة عمليات وأجهزة أشباه الموصلات (SISPAD) ، أوديني ، إيطاليا ، 4-6 سبتمبر 2019 ؛ ص 1 - 4.

25. Afzalian ، A. Ab initio منظور CMOS فائق التحجيم من أساسيات المواد ثنائية الأبعاد إلى الترانزستورات المخدرة ديناميكيًا. NPJ 2D ماتر. تطبيق 2021، 5، 5. [CrossRef]

For more information:1950477648nn@gmail.com