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不同形式的硒化镓单层的稳定性不同

最近发现硒化镓单层具有替代的晶体结构,并在电子领域具有多种潜在应用。了解其特性对于了解其功能至关重要。现在,来自日本科学技术高等研究院和东京大学的科学家已经探索了其结构稳定性,电子状态和晶相的转变。

固体材料包含原子的对称排列,这些原子赋予诸如导电性,强度和耐用性之类的属性。尺寸的改变可以改变这种排列,从而改变材料的整体性能。例如,随着我们向纳米尺度发展,某些材料的电,化学,光学和机械性能可能会发生变化。现在,科学使我们能够从单层(原子)水平研究各个维度上的特性差异。

硒化镓(GaSe)是一种层状金属硫属化物,已知具有多型,它们的层堆叠顺序不同,而多晶型则没有,其层内原子排列不同。由于GaSe在光电导,远红外转换和光学应用中的潜在用途,因此在物理和化学研究领域引起了极大的兴趣。通常,GaSe单层由共价键合的镓(Ga)和硒(Se)原子组成,其中Se原子向外突出,形成称为P相的三棱柱状结构。该研究小组的一部分较早前曾报道过使用透射电子显微镜在表面和界面分析中发现一种新型的GaSe晶体相,其中Se原子相对于Ga原子呈三角反棱镜方式排列,称为AP相,其对称性不同于常规P相(见图1)。由于这种单层结构的新颖性,对其形状如何移动的了解很少。而且,这些化合物的层内结构的变化如何影响稳定性?

为了回答这个问题,日本高级科学技术研究院(JAIST)的Hirokazu Nitta先生和Yukiko Yamada-Takamura教授使用第一性原理计算研究了GaSe单层相的结构稳定性和电子态。物理评论B。

Nitta Hirokazu Nitta说:“我们通过第一性原理计算发现,该新相是亚稳态的,并且在施加拉应变后,对基态常规相的稳定性会逆转,我们认为这与我们看到该相的事实密切相关仅在薄膜-基材界面处形成。”

为了比较GaSe P和AP相的结构稳定性,研究人员首先计算了不同面内晶格常数的总能量,这些常数表示晶体中晶胞的大小,因为其结构包括晶格,有组织的原子网格。计算出与最稳定状态相对应的最低能量,并且在此状态下,P相比AP相更稳定。

然后,为了研究AP和P相是否可以相互转化,他们确定了材料需要穿越才能改变的能垒,并使用超级计算机另外进行了分子动力学计算(见图2)。他们发现P相和AP相GaSe单层相变的能垒很大,这是由于需要断开并形成新的键,从而阻止了从P相到AP相的直接转变。计算还表明,通过施加拉伸应变或拉伸型力可以逆转P相和AP相GaSe单层的相对稳定性。

Yamada-Takamura教授强调了这项研究的重要性和未来前景,他说:“层状硫族化物是继石墨烯之后的有趣的二维材料,具有广泛的种类,尤其是带隙。我们刚刚发现了一种新的多晶型物(不是多型物)。它的物理和化学性质尚未发现。”

总之,这项研究的发现描述了一个不太为人所知的GaSe结构的电子结构,该结构可以提供对类似外延生长的单分子层行为的洞察,揭示了有关GaSe未知家族成员和相关的单硫属元素化物的另一个秘密。

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