인장 변형률과 전단 변형률을 통한 포스포린의 스트레인트로닉스 및 밴드 갭 조작을 위한 이들의 조합

Scientific Reports 13권, 기사 번호: 13444(2023) 이 기사 인용

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측정항목 세부정보

우리는 단축 인장 변형률과 전단 변형 및 이들의 조합이 단일층 블랙 포스포린의 전자 특성에 미치는 영향을 연구합니다. 변형률 의존 밴드 갭의 전개는 TB(밀착 결합) 모델과 DFT(제1 원리) 시뮬레이션 내의 수치 계산을 사용하여 얻어지며 이전 결과와 비교됩니다. TB 모델 기반 연구 결과는 무변형 포스포린의 밴드 갭이 실험값과 일치하고 스트레칭과 전단 모두에 선형적으로 의존한다는 것을 보여줍니다. 스트레칭이 증가(감소)함에 따라 증가(감소)하는 반면, 증가함에 따라 점차 감소합니다. 전단. 선형 의존성은 전단 변형률에 대한 ab initio 시뮬레이션에서 얻은 것과 비교할 때 덜 유사하지만 인장 변형률에 대한 DFT 기반 계산의 비단조적 동작과 일치하지 않습니다. 불일치의 가능한 이유가 논의됩니다. 결합된 변형의 경우 두 변형 유형(인장/압축 + 전단)이 동시에 로드되면 상호 영향으로 실현 가능한 밴드 갭 범위가 0에서 광대역 갭 반도체에 해당하는 값까지 확장됩니다. 스위치가 켜진 결합 변형에서 포스포린의 반도체-반금속 상전이는 더 약한(엄격히 비파괴적인) 변형에서 도달할 수 있으며 이는 기본 및 획기적인 발전에 기여합니다.

2차원 또는 준2차원(2D) 재료의 포스트 그래핀 시대[문헌에서 "2D 재료"라는 용어는 하나 또는 단지 몇 개의 원자층(평면) 두께(예: , 그래핀 - 원자 평면 1개, 포스포린 - 원자 평면 2개) 및 벌크 층상 유사체(흑연, 인)와 다른 특성을 보유하고 있음]은 2014년에 두 개의 서로 다른 그룹1,2이 단일 층을 독립적으로 박리했을 때 추가 개발에 추가적인 영향을 미쳤습니다. 흑린("포스포렌"이라고 함(포스포린에 대한 추가 언급에서는 흑린을 의미함))은 벌크 흑린에서 유래하며, 이는 100여 년 전에 처음 합성되었습니다3,4. 인은 지각에 풍부한 화학 원소 중 하나이며(최대 0.1%까지)5,6 흑색 P(α형)는 다른 인 동소체(백색, 적색, 보라색, A7상)7,8. 2014년부터 포스포린에 대한 조사를 촉진하기 위해 광범위한 연구가 수행되었습니다. 이 물질을 다루는 수백, 심지어 수천 개의 논문이 이미 전 세계에 출판되었습니다(예: Web of Science 및 Scopus 과학계측 데이터베이스 각각은 거의 2천 개에 이릅니다. 제목에 "phosphorene"이라는 단어가 직접 포함된 기사).

평탄성(원자적으로 평탄함)인 그래핀과 달리, 포스포린의 결정 구조는 주름진 원자 단층을 나타냅니다(그림 1a-d 참조). 여기서 공유 결합된 P 원자 사슬은 두 개의 서로 다른 평면에 존재합니다. 현재 알려진 2D 재료군 중에서 단층 흑인은 (광)전자공학뿐만 아니라 모든 재료과학에서 그 독특한 특성으로 인해 상세한 연구 대상으로 유망한 후보로 주목받고 있습니다. Phosphorene은 Brillouin 구역의 중앙(Γ-점)에 자연적인 직접 밴드 갭을 가지고 있습니다(그림 1e). 그러나 계산된 값은 계산 방법과 근사치에 따라 문헌에서 0.76에서 2.31 eV까지 크게 다릅니다(표 9,10 및 Çakır et al.11에서 수집된 데이터 참조). 동시에, 실험적으로 측정된 갭 값도 상당히 다른 것으로 나타났습니다. 1.45eV1에서 2.05eV12 및 2.2eV13(층 수가 0.31–0.36eV로 증가함에 따라 로그 눈금에서 선형적으로 감소14)15,16,17,18 대량 흑린의 경우). 일부 저자는 더 높은 금지 갭 값(최대 2.2eV)을 주장했습니다. 포스포렌은 높은 온/오프 전류 비율(최대 ~ 105)19 및 (양극)20 캐리어 이동도(실온에서 600 cm2V−1 s−1부터21 120 K에서 최대 ~ 103 cm2V−1 s−1 및 심지어 낮은 온도에서는 더 높습니다22. 즉, 그래핀과 비슷합니다. 이는 가장 놀랍고 주목할만한 특징은 이방성에 대한 반응으로 높은 이방성(기계적, 전자적, 광학적, 열적 및 전송 특성에서)입니다. 주름진(버클링 또는 주름진이라고도 함) 격자 및 우수한 기계적 특성29,30.

as the first vector in the new basis. Within the tridiagonal representation of the Hamiltonian and calculating the \(\rho_{1} (E) = - \pi^{ - 1} {\text{Im}} G_{11} (E + i\zeta )\) via the continued fraction technique, we obtain the value \({\rho}\)1(E) corresponding to the total DOS per one atom (site) of the lattice at hand. Now, there is no any necessity to calculate the remaining N − 1 matrix elements Gii, thereby we avoid the quadratic dependence of the computational efforts on the system size and keep the scaling linear (∝ N)./p>