Transcript 発表資料
ZrB2表面上のシリセンの電子状態計算 Contents 導入 実験 第一原理計算 第一原理計算 JAIST Chi-Cheng Lee Hiroyuki Kawai Taisuke Ozaki 実験 JAIST Antoine Fleurence Rainer Friedlein Yukiko Yamada-Takamura Y. Yamada-Takamura et al., PRL 95, 266105 (2005). Y. Yamada-Takamura et al., APL 97, 073109 (2010). A. Fleurence et al., PRL 108, 245501 (2012). カーボン以外の元素で二次元的 蜂の巣格子はできるのか？ 蜂の巣格子構造はDirac coneに代表される特異な電子構造を持っており、 炭素以外の元素で同様な構造が実現できるのか、興味が持たれる。 C: Graphene Si: Silicene Ge: Germanene ダイアモンド構造とグラフェン構造の安定性 ~0.5 eV ~0.1 eV ダイアモンド構造とグラフェン構造の安定性 Diamond 安定 Graphene 安定 C 仮想擬ポテンシャル原子中のSi比 Si 波打ちシリセンの理論予測 S. Cahangirov et al., Phys. Rev. Lett. 102, 236804 (2009). Si Ge Si, Ge共にバックルした蜂の巣構造は平面構造より安定である。 二種類の波打ち構造: Low buckled (LB), High buckled (HB)。 LB構造はDirac coneを保持している。 実験によるZrB2上でのSilicene構造の生成 北陸先端大 高村(山田)グループ GaN系発光ダイオードの成長基板としてZrB2 on Si(111)が有望である (格 子整合性、伝導性、平滑性→垂直発光デバイス)。その研究途上でZrB2上に Si原子が周期構造を作っていることが分かった。Si原子は恐らくSi基板から ZrB2の成長過程で拡散してきたと考えられる。 STM image GaN ZrB2 200Å Si GaN(0001)面: a= 3.189Å ZrB2(0001)面: a= 3.187Å A. Fleurence et al., PRL 108, 245501 (2012). A. Fleurence et al., Physica Status Solidi (c) 8, 779-783 (2011). 光電子分光によるSi原子の同定 Intensity (a.u.) Si 2p3/2 Si 2p1/2 Si 2pの光電子分光ス ペクトルから、表面近 傍にSi原子が存在。 A B B A C C 32±5% 55±5% 13±5% ３種類の化学的環境が あることを示唆。 A:B:Cの強度比は 2:3:1 Relative binding energy (eV) 実験によるSTM像 STM像、(2×2)格子、光電子分 光の結果を総合し、一つのモデ ル構造を構築できる。 Zr Si ZrB2[1120] ZrB2[1100] A:B:C = 2:3:1 角度依存光電子分光法によるSi位置の高さ A/B C/B [11-20]方向のA/Bの強度比 が角度の増加に伴い、減少し ていることから、SiAがSiBよ り下にあると考えられる。 角度分解光電子分光スペクトル M(2×2)付近にZrB2表面状態に由来する分散 Si-K(1×1)付近にπバンド的な分散 ZrB2(0001)-(1x1) silicene-(1x1) ZrB2(0001)-(2x2) K ΓΓ M Γ K M K M M K M Γ K 密度汎関数法による第一原理計算 OpenMX LCPAO法、擬ポテンシャル法、GGA汎関数 STM像 Tersoff-Hamman近似 Si-2pの化学シフト計算 Si-2p状態を含んだ相対論的擬ポテンシャル法 バンド分散の計算:バンドアンフォールディング法 活性障壁: NEB法 面内格子定数は実験値(a=3.187Å)を使用。 スラブモデル(Zr: 7層, B: 6層) ZrB2のバンド構造 Black: Total Red: Zr-d Bulk Slab ZrB2 (0001) 表面への単一Si原子の吸着 On-top Hollow Bridge Si 2.68 Å Ebinding= 5.05 eV 2.57 Å (Si height) Ebinding= 6.08 eV 1.97 Å (Si height) 2.61 Å Ebinding= 5.79 eV 2.07 Å (Si height) 最適化構造と相対エネルギー 波打ち構造の異なる二種類の安定構造が得られた。 モデル 1 Ebind=1.14 B C モデル 2 eV/ Si atom B NEBによる Ebind=1.42 eV/Si atom 活性障壁 C B A B B A B 最適化構造: Top view どちらの構造も蜂の巣格子構造を保持している。 モデル 1 モデル2 Tersoff-Hamman近似によるSTM像 実験 The calculations were performed by the TersoffHamman approximation, and an isovalue of 8x10-7 e/bohr3 was used for generation of the height profile for both the cases. V=100mV モデル2 モデル1 V=+300mV V=+300mV SiB(bridge)が明るい SiC(on-top)が明るい Si-2p 状態の化学シフト 実験 Ｂ Ａ Ｃ B モデル 1 C 定性的にはど ちらのモデル も実験を再 現。 モデル 2 A C B A Γ点での波動関数 The wave functions just below Fermi level at ZrB2(2x2)-Γ-point (=Si(1×1)-K-point)) are attributed to silicene. M K Γ M Isovalue=0.01 Domain boundary might be important? PRL 108, 245501 (2012) Domain boundary might be the most important factor in revealing the realistic ground state by DFT calculation Comparison between Expt. and Theory Relative energy (eV/(2x2) cell) Model 1 Model 2 0 -1.589 Relative height of SiA and SiB Agreement STM image Disagreement Chemical shift of Si-2p Agreement Band structure Large distortion of ZrB2 surface band SiA ≒ SiB At least the position of the bright spot agreed Agreement ZrB2 surface band and X2 band reproduced