带隙石墨烯中的巨有效电荷与压电性
材料科学
2019-03-25 v1 介观与纳米尺度物理
摘要
自首次通过场效应器件实现石墨烯中可逆电荷掺杂以来，开启带隙可进一步提升其技术应用潜力已显而易见。本文表明，由子晶格对称性破缺引起的带隙开启对石墨烯的极化响应也有深远影响。结合第一性原理计算与解析建模，我们证明对于实际带隙值（ eV），石墨烯的压电系数与 Born 有效电荷达到与带隙无关的巨值。特别地，带隙单层与双层石墨烯每层压电系数是大带隙全极性绝缘体如六方氮化硼（h-BN）单层的 3 倍，比极性半导体如 MoS 大 30%。这一惊人结果表明，压电声学声子散射可能与门控双层石墨烯中电荷输运与载流子弛豫的建模相关。压电系数与 Born 有效电荷对带隙值的无关性源于极化响应与带隙狄拉克电子谷 Chern 数间的联系，这由这些体系中电子-晶格/应变耦合的有效规范场描述所实现。在绝热第一性原理近似失效的小带隙极限下，我们解析地实现了动力学有效电荷的计算，并建立了复有效电荷与所谓声子光学峰 Fano 线型间的普适关系。我们的结果提供了一个理解并计算窄带隙半导体极化响应的通用理论框架，也可能与狄拉克类体系中介电散射对输运性质的贡献相关。
引用
@article{arxiv.1903.09407,
title = {Giant Effective charges and Piezoelectricity in Gapped Graphene},
author = {Oliviero Bistoni and Paolo Barone and Emmanuele Cappelluti and Lara Benfatto and Francesco Mauri},
journal= {arXiv preprint arXiv:1903.09407},
year = {2019}
}