Vormveranderende kristallen: variërende stabiliteit in verschillende vormen van galliumselenide monolagen

Onlangs is ontdekt dat de monolaag van galliumselenide een alternatieve kristalstructuur heeft en diverse potentiële toepassingen in de elektronica heeft. Het begrijpen van de eigenschappen ervan is cruciaal om de functies ervan te begrijpen. Nu hebben wetenschappers van het Japan Advanced Institute of Science and Technology en de Universiteit van Tokio de structurele stabiliteit, elektronische toestanden en transformatie van kristalfasen onderzocht.

Vaste materialen bestaan ​​uit een symmetrische opstelling van atomen die eigenschappen verlenen zoals geleidbaarheid, sterkte en duurzaamheid. Veranderingen in grootte kunnen deze opstelling veranderen, waardoor de algemene eigenschappen van het materiaal veranderen. De elektrische, chemische, optische en mechanische eigenschappen van bepaalde materialen kunnen bijvoorbeeld veranderen naarmate we dichter bij de nanoschaal komen. De wetenschap laat ons nu de verschillen in eigenschappen over verschillende dimensies bestuderen, rechtstreeks vanaf monolaag (atomair) niveau.

Galliumselenide (GaSe) is een gelaagd metaal-chalcogenide, waarvan bekend is dat het polytypes heeft, die verschillen in hun opeenvolging van lagen, maar geen polymorf, die een andere atomaire rangschikking in de laag heeft. GaSe heeft veel belangstelling gewekt op het gebied van fysisch en chemisch onderzoek, vanwege het mogelijke gebruik ervan in fotogeleiding, ver-infraroodconversie en optische toepassingen. Conventioneel is een GaSe-monolaag samengesteld uit gallium- (Ga) en selenium- (Se) -atomen die covalent zijn gebonden, waarbij de Se-atomen naar buiten uitsteken en een trigonale prisma-achtige structuur vormen die de P-fase wordt genoemd. Een deel van dezelfde onderzoeksgroep had eerder een nieuwe kristalfase van GaSe gerapporteerd met behulp van transmissie-elektronenmicroscopie in Oppervlakte- en interface-analyse, waarbij de Se-atomen trigonaal antiprismatisch zijn gerangschikt ten opzichte van de Ga-atomen, aangeduid als AP-fase, met een symmetrie die verschilt van de conventionele P-fase (zie afbeelding 1). Vanwege de nieuwheid van deze monolaagstructuur is er zeer weinig bekend over hoe deze van vorm verandert. Bovendien, hoe beïnvloeden variaties in de structuur van dergelijke verbindingen binnen de lagen de stabiliteit?

Om dit te beantwoorden, onderzochten de heer Hirokazu Nitta en prof.Yukiko Yamada-Takamura van het Japan Advanced Institute of Science and Technology (JAIST) de structurele stabiliteit en elektronische toestanden van fasen van GaSe-monolaag met behulp van eerste-principesberekeningen, in hun laatste studie in Fysieke beoordeling B.

Hirokazu Nitta zegt: “ We zijn er door eerste-principesberekeningen achter gekomen dat deze nieuwe fase metastabiel is, en de stabiliteit tegen de conventionele fase in de grondtoestand keert om bij het toepassen van trekspanning, waarvan we denken dat dit sterk verband houdt met het feit dat we deze fase zagen alleen gevormd op het grensvlak van film en substraat. “

Om de structurele stabiliteit van de P- en AP-fasen van GaSe te vergelijken, berekenden de onderzoekers eerst de totale energie bij verschillende in-plane roosterconstanten, die de grootte van een eenheidscel in het kristal vertegenwoordigen, aangezien de structuur een rooster, een georganiseerd netwerk van atomen. De laagste energie die overeenkomt met de meest stabiele toestand werd berekend en in deze toestand, de P-fase, bleek stabieler te zijn dan de AP-fase.

Om vervolgens te onderzoeken of de AP- en P-fasen in elkaar kunnen transformeren, bepaalden ze de energiebarrières die het materiaal moet oversteken om te veranderen, en voerden ze bovendien moleculaire dynamische berekeningen uit met behulp van een supercomputer (zie afbeelding 2). Ze ontdekten dat de energiebarrière voor faseovergang van P-fase en AP-fase GaSe-monolagen waarschijnlijk groot is vanwege de noodzaak om nieuwe bindingen te breken en te maken, wat een directe overgang van P- naar AP-fase verhindert. De berekeningen lieten ook zien dat de relatieve stabiliteit van P-fase en AP-fase GaSe-monolagen kan worden omgekeerd door het uitoefenen van een trekspanning of een rekkracht.

Prof. Yamada-Takamura benadrukt het belang en de toekomstperspectieven van hun studie en zegt: “Gelaagde chalcogeniden zijn interessante 2D-materialen na grafeen, met een grote variëteit en vooral een bandgap. We hebben zojuist een nieuwe polymorf (geen polytype) ontdekt van een gelaagd monochalcogenide. Zijn fysische en chemische eigenschappen moeten nog worden ontdekt. ​​”

Samen beschrijven de bevindingen van deze studie de elektronische structuur van een minder bekende structuur van GaSe die inzicht kan geven in het gedrag van vergelijkbare epitaxiaal gegroeide monolagen, waardoor nog een ander geheim wordt onthuld over de onbekende familieleden van GaSe en verwante monochalcogeniden.