Formskiftende krystaller:Varierende stabilitet i forskellige former for galliumselenid monolag

Galliumselenid-monolaget er for nylig blevet opdaget at have en alternativ krystalstruktur og har forskellige potentielle anvendelser inden for elektronik. At forstå dens egenskaber er afgørende for at forstå dens funktioner. Nu, videnskabsmænd fra Japan Advanced Institute of Science and Technology og University of Tokyo har udforsket dets strukturelle stabilitet, elektroniske tilstande og transformation af krystalfaser.

Faste materialer omfatter et symmetrisk arrangement af atomer, der giver egenskaber som ledningsevne, styrke og holdbarhed. Ændringer i størrelse kan ændre dette arrangement, og derved ændre materialets overordnede egenskaber. For eksempel, det elektriske, kemisk, optiske og mekaniske egenskaber af visse materialer kan ændre sig, når vi bevæger os mod nanoskalaen. Videnskaben lader os nu studere forskellene i egenskaber på tværs af forskellige dimensioner lige fra monolag (atomare) niveau.

Gallium selenid (GaSe) er et lagdelt metal-chalcogenid, som vides at have polytyper, som adskiller sig i deres stablingsrækkefølge af lag, men ikke en polymorf, som har et andet atomarrangement inde i laget. GaSe har vakt stor interesse for områder inden for fysisk og kemisk forskning, på grund af dets potentielle anvendelse i fotokonduktion, fjern-infrarød konvertering og optiske applikationer. Konventionelt, et GaSe monolag er sammensat af gallium (Ga) og selen (Se) atomer bundet kovalent, med Se-atomerne rager udad, danner en trigonal prisme-lignende struktur kaldet P-fasen. En del af den samme forskergruppe havde tidligere rapporteret om en ny krystalfase af GaSe ved hjælp af transmissionselektronmikroskopi i Overflade- og grænsefladeanalyse , hvor Se-atomerne er arrangeret på en trigonal antiprismatisk måde i forhold til Ga-atomerne, kaldet AP-fase, med en symmetri forskellig fra den konventionelle P-fase (se billede 1). På grund af det nye ved denne enkeltlagsstruktur, meget lidt er kendt om, hvordan det ændrer sin form. I øvrigt, hvordan påvirker variationer i intralagstrukturen af ​​sådanne forbindelser stabiliteten?

For at svare på dette, Hirokazu Nitta og prof. Yukiko Yamada-Takamura fra Japan Advanced Institute of Science and Technology (JAIST) undersøgte den strukturelle stabilitet og elektroniske tilstande af faser af GaSe monolag ved hjælp af første-princippets beregninger, i deres seneste undersøgelse i Fysisk gennemgang B .

Hirokazu Nitta siger, "Vi har fundet ud af gennem første principper-beregninger, at denne nye fase er metastabil, og stabilitet mod jordtilstandens konventionelle fase vender tilbage ved påføring af trækbelastning, hvilket vi tror er stærkt relateret til det faktum, at vi så denne fase kun dannet ved film-substrat-grænsefladen."

For at sammenligne den strukturelle stabilitet af P- og AP-faserne af GaSe, forskerne beregnede først den samlede energi ved forskellige gitterkonstanter i planet, som repræsenterer størrelsen af ​​en enhedscelle i krystallen, givet, at dens struktur omfatter et gitter, et organiseret netværk af atomer. Den laveste energi, der svarer til den mest stabile tilstand, blev beregnet og ved denne tilstand, P-fasen, viste sig at være mere stabil end AP-fasen.

Derefter, at undersøge om AP- og P-faserne kan transformeres til hinanden, de bestemte de energibarrierer, som materialet skal krydse for at ændre sig, og udførte desuden molekylær dynamikberegninger ved hjælp af en supercomputer (se billede 2). De fandt ud af, at energibarrieren for faseovergang af P-fase og AP-fase GaSe monolag sandsynligvis er stor på grund af behovet for at bryde og lave nye bindinger, som forbyder direkte overgang fra P- til AP-fase. Beregningerne afslørede også, at den relative stabilitet af P-fase og AP-fase GaSe monolag kan vendes ved at anvende trækspænding, eller en strækkraft.

fremhæve betydningen og fremtidsudsigterne for deres undersøgelse, Prof. Yamada-Takamura siger, "Layered chalcogenides er interessante 2-D materialer efter grafen, have stor variation og især bandgap. Vi har netop fundet ud af en ny polymorf (ikke polytype) af et lagdelt monochalcogenid. Dets fysiske såvel som kemiske egenskaber er endnu ikke opdaget."

Sammen, resultaterne af denne undersøgelse beskriver den elektroniske struktur af en mindre kendt struktur af GaSe, der kan give indsigt i adfærden af ​​lignende epitaksialt dyrkede monolag, afsløre endnu en hemmelighed om de ukendte familiemedlemmer af GaSe og relaterede monochalcogenider.