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Jul 14, 2023

Straintronique dans le phosphorène via les déformations de traction et de cisaillement et leurs combinaisons pour manipuler la bande interdite

Scientific Reports volume 13, Numéro d'article : 13444 (2023) Citer cet article 171 Accès aux détails des métriques Nous étudions les effets de la déformation en traction uniaxiale et de la déformation en cisaillement ainsi que leur

Rapports scientifiques volume 13, Numéro d'article : 13444 (2023) Citer cet article

171 Accès

Détails des métriques

Nous étudions les effets de la déformation en traction uniaxiale et de la déformation par cisaillement ainsi que leurs combinaisons sur les propriétés électroniques du phosphorène noir monocouche. Les évolutions de la bande interdite dépendant de la déformation sont obtenues à l'aide des calculs numériques dans le modèle de liaison étroite (TB) ainsi que des simulations des premiers principes (DFT) et comparées aux résultats précédents. Les résultats basés sur le modèle TB montrent que la bande interdite du phosphorène sans contrainte est en accord avec la valeur expérimentale et dépend linéairement de l'étirement et du cisaillement : augmente (diminue) à mesure que l'étirement augmente (diminue), alors qu'elle diminue progressivement avec l'augmentation de la tondre. Une dépendance linéaire est plus ou plus similaire à celle obtenue à partir des simulations ab initio pour la déformation en cisaillement, mais elle est en désaccord avec un comportement non monotone issu des calculs basés sur la DFT pour la déformation en traction. Les raisons possibles de cet écart sont discutées. Dans le cas d'une déformation combinée, lorsque les deux types de déformation (traction/compression + cisaillement) sont chargés simultanément, leur influence mutuelle étend la plage de bande interdite réalisable : de zéro jusqu'aux valeurs respectives des semi-conducteurs à large bande interdite. Lors d'une déformation combinée activée, la transition de phase semi-conducteur-semi-métal dans le phosphorène est atteinte avec une déformation plus faible (strictement non destructive), ce qui contribue aux progrès fondamentaux et aux percées.

L'ère post-graphène des matériaux bidimensionnels ou quasi bidimensionnels (2D) [dans la littérature, le terme « matériaux 2D » fait référence à ces systèmes thermodynamiquement stables dans une ou quelques couches atomiques (plans) d'épaisseur (par exemple , graphène - un plan atomique ; phosphorène - deux plans atomiques) et possédant des propriétés qui diffèrent de celles de leurs analogues en couches (graphite, phosphore)] ont obtenu un impact supplémentaire pour un développement ultérieur lorsqu'en 2014, deux groupes différents1,2 ont indépendamment exfolié la couche unique. le phosphore noir – appelé « phosphorène » (plus loin dans le texte mentionnant le phosphorène, nous désignerons le noir) – provenant du phosphore noir en vrac, qui à son tour a été synthétisé pour la première fois il y a plus d'un siècle3,4. Le phosphore est l'un des éléments chimiques abondants dans la croûte terrestre (jusqu'à ≈ 0,1 %)5,6 et le P noir (forme α) est le plus stable thermodynamiquement dans les conditions ambiantes parmi les autres allotropes du phosphore (blanc, rouge, violet et Phase A7)7,8. Depuis 2014, des études approfondies sont menées pour promouvoir les recherches sur le phosphorène : des centaines, voire des milliers d'articles traitant de ce matériau ont déjà été publiés dans le monde entier (par exemple, chacune des bases de données scientométriques Web of Science et Scopus en compte près de deux mille). d’articles contenant le mot « phosphorène » directement dans le titre).

Contrairement au graphène, qui est plat (atomiquement plat), la structure cristalline du phosphorène représente une monocouche atomique ondulée (voir Fig. 1a – d), où des chaînes d'atomes P liés de manière covalente résident dans deux plans différents. Parmi la famille des matériaux 2D actuellement connus, le phosphore noir monocouche attire l'attention en tant que candidat prometteur non seulement pour l'(opto)électronique, mais pour toute la science des matériaux, en tant qu'objet intéressant pour une étude détaillée en raison de ses caractéristiques particulières. Le phosphorène a une bande interdite directe naturelle au centre (point Γ) de la zone Brillouin (Fig. 1e); cependant, sa valeur calculée diffère fortement dans la littérature de 0,76 à 2,31 eV (voir les données collectées dans les tableaux 9, 10 et Çakır et al. 11) selon les méthodes de calcul et les approximations. Dans le même temps, la valeur de l'écart mesurée expérimentalement s'est également révélée très différente : de 1,45 eV1 à 2,05 eV12 et 2,2 eV13 (chutant linéairement sur une échelle logarithmique à mesure que le nombre de couches augmente14 jusqu'à 0,31–0,36 eV15,16,17,18 pour le phosphore noir en vrac). Certains auteurs ont revendiqué des valeurs de ban gap encore plus élevées : jusqu'à 2,2 eV. Le phosphorène présente un rapport courant marche/arrêt élevé (jusqu'à ~ 105)19 et une mobilité des porteurs (ambipolaire)20 (de 600 cm2V−1 s−1 à température ambiante21 jusqu'à ~ 103 cm2V−1 s−1 à 120 K et même plus élevé à des températures plus basses22, c'est-à-dire comparable au graphène). C'est très remarquable et c'est pourquoi les caractéristiques dignes d'attention sont une anisotropie élevée (dans les propriétés mécaniques, électroniques, optiques, thermiques et de transport)19,23,24,25,26,27,28, en réponse à l'anisotropie de le réseau plissé (appelé aussi bouclé ou froissé) et les propriétés mécaniques supérieures29,30.