バンドギャップを操作するための引張ひずみとせん断ひずみおよびそれらの組み合わせによるフォスフォレンのひずみトロニクス

Scientific Reports volume 13、記事番号: 13444 (2023) この記事を引用

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メトリクスの詳細

私たちは、単層ブラックフォスフォレンの電子特性に対する一軸引張ひずみとせん断変形、およびそれらの組み合わせの影響を研究します。 ひずみ依存バンドギャップの変化は、第一原理 (DFT) シミュレーションだけでなく強結合 (TB) モデル内の数値計算を使用して取得され、以前の結果と比較されます。 TB モデルに基づく調査結果は、歪みのないホスホレンのバンドギャップが実験値と一致し、伸長とせん断の両方に線形に依存することを示しています。伸長が増加 (減少) すると増加 (減少) しますが、バンドギャップが増加すると徐々に減少します。剪断。 線形依存性は、せん断ひずみの ab initio シミュレーションから得られたものと比較すると多少似ていますが、引張ひずみの DFT ベースの計算から得られる非単調な挙動とは一致しません。 不一致の考えられる理由について説明します。 複合変形の場合、両方のひずみタイプ (引張/圧縮 + せん断) が同時に負荷されると、それらの相互影響により、実現可能なバンドギャップ範囲がゼロからワイドバンドギャップ半導体のそれぞれの値まで拡張されます。 スイッチオンの複合ひずみでは、ホスホレンの半導体 - 半金属相転移は、より弱い (厳密には非破壊的) ひずみで到達可能であり、これが基礎とブレークスルーの進歩に貢献します。

二次元または準二次元 (2D) 材料のポストグラフェン時代 [文献では、「2D 材料」という用語は、1 つまたはわずか数個の原子層 (面) の厚さで熱力学的に安定しているシステムを指します (例: 、グラフェン - 1 つの原子面、ホスホレン - 2 つの原子面）、バルクの層状類似体（グラファイト、リン）とは異なる特性を持っている] は、2014 年に 2 つの異なるグループ 1,2 が独立して単層を剥離したとき、さらなる開発にさらなる影響を与えました。 「ホスホレン」と呼ばれる黒リン（本文中でホスホレンについて言及している場合は、黒いものを指します）は、バルクの黒リンから得られます。黒リンは、1 世紀以上前に初めて合成されました 3,4。 リンは、地球の地殻に豊富に存在する化学元素の 1 つ (最大 0.1% まで)5,6 であり、黒色 P (α 型) は、他のリンの同素体 (白、赤、紫、紫など) の中で周囲条件で熱力学的に最も安定しています。 A7フェーズ）7、8。 2014 年以来、フォスフォレンの研究を推進するために広範な研究が行われています。この物質を扱った数百、さらには数千の論文がすでに世界中で出版されています (たとえば、Web of Science と Scopus のサイエントメトリック データベースにはそれぞれ約 2,000 件あります)タイトルに「ホスホレン」という単語がそのまま含まれている記事）。

平坦性（原子的に平坦）であるグラフェンとは異なり、フォスフォレンの結晶構造は波形の原子単層を表し（図1a〜dを参照）、共有結合したP原子の鎖が2つの異なる平面に存在します。 現在知られている二次元材料の中でも、単層黒リンは、その特異な特徴により、（オプト）エレクトロニクスのみならず、あらゆる材料科学の有望な候補として詳細な研究対象として注目を集めています。 ホスホレンは、ブリルアンゾーンの中心（Γ点）に自然な直接バンドギャップを持っています（図1e）。 ただし、その計算値は、計算方法と近似値に応じて、文献では 0.76 ～ 2.31 eV と大きく異なります (表 9、10 および Çakır et al.11 の収集データを参照)。 同時に、実験的に測定されたギャップ値もまったく異なることが判明しました: 1.45 eV1 から 2.05 eV12 および 2.2 eV13 (層数が増加するにつれて対数スケールで直線的に低下し 14 から 0.31 ～ 0.36 eV15、16、17、18)バルク黒リンの場合）。 一部の著者は、さらに高い禁止ギャップ値 (最大 2.2 eV) を主張しました。 ホスホレンは、高いオン/オフ電流比 (最大 ～ 105)19 および (両極性)20 キャリア移動度 (室温で 600 cm2V-1 s-1 から 21 、120 K で最大約 103 cm2V-1 s-1 まで) を示します。低温ではより高い22、つまりグラフェンと同等）。 これは最も顕著であり、それが、注目に値する特徴である理由です。しわのある（座屈またはしわとも呼ばれる）格子、および優れた機械的特性 29,30。