Straintronica nel fosforene tramite deformazioni di trazione e di taglio e loro combinazioni per manipolare il gap di banda

Rapporti scientifici volume 13, numero articolo: 13444 (2023) Citare questo articolo

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Studiamo gli effetti della deformazione di trazione uniassiale e della deformazione di taglio, nonché le loro combinazioni sulle proprietà elettroniche del fosforene nero a strato singolo. Le evoluzioni del gap di banda dipendente dalla deformazione sono ottenute utilizzando i calcoli numerici all'interno del modello tight-binding (TB) e le simulazioni dei principi primi (DFT) e confrontate con i risultati precedenti. I risultati basati sul modello TB mostrano che il gap di banda del fosforene senza tensione concorda con il valore sperimentale e dipende linearmente sia dallo stretching che dal taglio: aumenta (diminuisce) all'aumentare dello stretching (diminuisce), mentre diminuisce gradualmente con l'aumentare del taglio. Una dipendenza lineare è più o meno simile a quella ottenuta dalle simulazioni ab initio per la deformazione di taglio, tuttavia non è d'accordo con un comportamento non monotono dei calcoli basati su DFT per la deformazione a trazione. Vengono discusse le possibili ragioni della discrepanza. In caso di deformazione combinata, quando entrambi i tipi di deformazione (trazione/compressione + taglio) sono caricati simultaneamente, la loro influenza reciproca estende l'intervallo di band gap realizzabile: da zero fino ai valori rispettivi dei semiconduttori a band gap ampio. Con una tensione combinata attivata, la transizione di fase semiconduttore-semimetallo nel fosforene è raggiungibile con una tensione più debole (rigorosamente non distruttiva), il che contribuisce al progresso fondamentale e alle scoperte.

L’era post-grafene dei materiali bidimensionali o quasi bidimensionali (2D) [in letteratura, il termine “materiali 2D” si riferisce a quei sistemi termodinamicamente stabili in uno o pochi strati atomici (piani) spessi (es. , grafene—un piano atomico; fosforene—due piani atomici) e possiedono proprietà che differiscono dai loro analoghi a strati sfusi (grafite, fosforo)] hanno avuto un ulteriore impatto per un ulteriore sviluppo quando nel 2014 due diversi gruppi1,2 hanno esfoliato indipendentemente il singolo strato fosforo nero—chiamato “fosforene” (più avanti nel testo in cui si parla di fosforene, intendiamo quello nero)—dal fosforo nero in massa, che a sua volta è stato sintetizzato per la prima volta più di un secolo fa3,4. Il fosforo è uno degli elementi chimici abbondanti nella crosta terrestre (fino a ≈ 0,1%)5,6 e il P nero (forma α) è il più termodinamicamente stabile in condizioni ambientali tra gli altri allotropi del fosforo (bianco, rosso, viola e Fase A7)7,8. Dal 2014 vengono condotti studi approfonditi per promuovere le indagini sul fosforene: centinaia e persino migliaia di articoli che trattano questo materiale sono già stati pubblicati in tutto il mondo (ad esempio, ciascuno dei database scientometrici Web of Science e Scopus conta quasi duemila di articoli contenenti la parola “fosforene” direttamente nel titolo).

A differenza del grafene, che è piatto (atomicamente piatto), la struttura cristallina del fosforene rappresenta un monostrato atomico ondulato (vedere Fig. 1a-d), dove catene di atomi di P legati covalentemente risiedono su due piani diversi. Nella famiglia dei materiali 2D attualmente conosciuti, il fosforo nero monostrato attira l'attenzione come candidato promettente non solo per l'(opto)elettronica, ma per tutta la scienza dei materiali come oggetto interessante per uno studio dettagliato grazie alle sue caratteristiche peculiari. Il fosforene ha un gap di banda diretto naturale al centro (punto Γ) della zona di Brillouin (Fig. 1e); tuttavia, il suo valore calcolato differisce fortemente in letteratura da 0,76 a 2,31 eV (vedere i dati raccolti nelle tabelle 9,10 e Çakır et al.11) a seconda dei metodi computazionali e delle approssimazioni. Allo stesso tempo, anche il valore del gap misurato sperimentalmente è risultato molto diverso: da 1,45 eV1 a 2,05 eV12 e 2,2 eV13 (cadendo linearmente in scala logaritmica all’aumentare del numero di strati14 fino a 0,31–0,36 eV15,16,17,18 per il fosforo nero sfuso). Alcuni autori hanno affermato valori di ban gap ancora più elevati: fino a 2,2 eV. Il fosforene mostra un elevato rapporto di corrente on/off (fino a ~ 105)19 e mobilità dei portatori (ambipolare)20 (da 600 cm2V−1 s−1 a temperatura ambiente21 fino a ~ 103 cm2V−1 s−1 a 120 K e persino maggiore a temperature più basse22, cioè paragonabile al grafene). È molto notevole ed è per questo che le caratteristiche degne di attenzione sono l'elevata anisotropia (nelle proprietà meccaniche, elettroniche, ottiche, termiche e di trasporto)19,23,24,25,26,27,28, come risposta all'anisotropia di il reticolo increspato (chiamato anche deformato o spiegazzato) e proprietà meccaniche superiori29,30.