Блог

Jul 14, 2023

Стрейнтроника в фосфорене с помощью деформаций растяжения и сдвига и их комбинаций для управления запрещенной зоной

Том 13 научных докладов, Номер статьи: 13444 (2023) Цитировать эту статью 171 Доступ Метрики Подробности Мы изучаем влияние одноосной деформации растяжения и деформации сдвига, а также их

Научные отчеты, том 13, Номер статьи: 13444 (2023) Цитировать эту статью

171 Доступ

Подробности о метриках

Изучено влияние одноосной растягивающей и сдвиговой деформации, а также их комбинаций на электронные свойства однослойного черного фосфорена. Эволюция ширины запрещенной зоны в зависимости от деформации получена с использованием численных расчетов в рамках модели сильной связи (TB), а также моделирования из первых принципов (DFT) и сопоставлена ​​с предыдущими результатами. Результаты, полученные на основе модели ТБ, показывают, что ширина запрещенной зоны недеформированного фосфорена согласуется с экспериментальным значением и линейно зависит как от растяжения, так и от сдвига: увеличивается (уменьшается) с увеличением (уменьшением) растяжения, тогда как постепенно уменьшается с увеличением сдвиг. Линейная зависимость менее или более похожа по сравнению с зависимостью, полученной в результате ab initio моделирования деформации сдвига, однако не согласуется с немонотонным поведением, полученным при расчетах деформации растяжения на основе DFT. Обсуждаются возможные причины расхождения. При комбинированной деформации, когда оба вида деформации (растяжение/сжатие + сдвиг) нагружены одновременно, их взаимное влияние расширяет реализуемый диапазон запрещенной зоны: от нуля до значений, соответствующих широкозонным полупроводникам. При включенной комбинированной деформации фазовый переход полупроводник-полуметалл в фосфорене достижим при более слабой (строго неразрушающей) деформации, что способствует прогрессу в фундаментальных и прорывных работах.

Постграфеновая эра двумерных или квазидвумерных (2D) материалов [в литературе термин «2D материалы» относится к таким системам, термодинамически стабильным в одном или нескольких атомных слоях (плоскостях) толщиной (например, , графен — одна атомная плоскость; фосфорен — две атомные плоскости) и обладающие свойствами, отличающимися от их объемных слоистых аналогов (графит, фосфор)] получили дополнительный импульс для дальнейшего развития, когда в 2014 году две разные группы1,2 независимо отслаивали однослойные черный фосфор — называемый «фосфореном» (далее в тексте под фосфореном будем понимать черный) — из массивного черного фосфора, который, в свою очередь, был впервые синтезирован более века назад3,4. Фосфор является одним из самых распространенных химических элементов в земной коре (до ≈ 0,1%)5,6, а черный фосфор (α-форма) является наиболее термодинамически стабильным в условиях окружающей среды среди других аллотропов фосфора (белого, красного, фиолетового и Фаза А7)7,8. С 2014 года проводятся обширные исследования, способствующие изучению фосфорена: во всем мире уже опубликованы сотни и даже тысячи статей, посвященных этому материалу (например, каждая из наукометрических баз данных Web of Science и Scopus насчитывает почти две тысячи статей, содержащих слово «фосфорен» прямо в названии).

В отличие от графена, который является плоским (атомно-плоским), кристаллическая структура фосфорена представляет собой гофрированный атомный монослой (см. рис. 1а–г), где цепочки ковалентно связанных атомов Р расположены в двух разных плоскостях. Среди семейства известных на сегодняшний день 2D-материалов монослойный черный фосфор привлекает внимание как перспективный кандидат не только для (опто)электроники, но и всего материаловедения, как интересный объект для детального изучения благодаря своим особенностям. Фосфорен имеет естественную прямую запрещенную зону в центре (Γ-точку) зоны Бриллюэна (рис. 1д); однако его расчетное значение сильно различается в литературе от 0,76 до 2,31 эВ (см. собранные данные в таблицах 9,10 и Чакир и др. 11) в зависимости от методов расчета и приближений. В то же время экспериментально измеренная величина зазора оказалась также весьма разной: от 1,45 эВ1 до 2,05 эВ12 и 2,2 эВ13 (линейно падающей в логарифмическом масштабе с увеличением числа слоев14 до 0,31–0,36 эВ15,16,17,18 для объемного черного фосфора). Некоторые авторы утверждали еще более высокие значения запрещенной зоны: до 2,2 эВ. Фосфорен обладает высоким соотношением токов включения/выключения (до ~ 105)19 и (амбиполярной)20 подвижностью носителей заряда (от 600 см2В-1 с-1 при комнатной температуре21 до ~ 103 см2В-1 с-1 при 120 К и даже выше при более низких температурах22, т.е. сравнимо с графеном). Наиболее примечательной и поэтому заслуживающей внимания особенностью является высокая анизотропия (механических, электронных, оптических, тепловых и транспортных свойств)19,23,24,25,26,27,28 как реакция на анизотропию сморщенная (также называемая изогнутой или морщинистой) решетка и превосходные механические свойства29,30.