Van de monolaag van galliumselenide is onlangs ontdekt dat deze 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. Nutsvoorzieningen, wetenschappers van het Japan Advanced Institute of Science and Technology en de University of Tokyo hebben de structurele stabiliteit onderzocht, elektronische toestanden en transformatie van kristalfasen.

Vaste materialen omvatten een symmetrische rangschikking 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. Bijvoorbeeld, de elektrische, chemisch, optische en mechanische eigenschappen van bepaalde materialen kunnen veranderen naarmate we de nanoschaal naderen. De wetenschap laat ons nu de verschillen in eigenschappen in verschillende dimensies bestuderen vanaf het monolaag (atomaire) niveau.

Galliumselenide (GaSe) is een gelaagd metaal-chalcogenide, waarvan bekend is dat het polytypes heeft, die verschillen in hun stapelvolgorde 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 in fotogeleiding, ver-infrarood conversie en optische toepassingen. conventioneel, een GaSe-monolaag is samengesteld uit gallium (Ga) en selenium (Se) atomen die covalent gebonden zijn, met de Se-atomen die naar buiten uitsteken, het vormen van een trigonale prisma-achtige structuur genaamd de P-fase. Een deel van dezelfde onderzoeksgroep had eerder een nieuwe kristalfase van GaSe gerapporteerd met behulp van transmissie-elektronenmicroscopie in Oppervlakte- en interfaceanalyse , waarbij de Se-atomen op een trigonale antiprismatische manier zijn gerangschikt op de Ga-atomen, AP-fase genoemd, met een symmetrie die verschilt van de conventionele P-fase (zie afbeelding 1). Vanwege de nieuwigheid van deze monolaagstructuur, er is heel weinig bekend over hoe het zijn vormverandering doet. Bovendien, hoe beïnvloeden variaties in de intralaagstructuur van dergelijke verbindingen de stabiliteit?

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

Hirokazu Nitta zegt, "We zijn er door eerste-principeberekeningen achter gekomen dat deze nieuwe fase metastabiel is, en stabiliteit tegen de conventionele fase in de grondtoestand keert om bij het aanbrengen van trekspanning, waarvan we denken dat het sterk verband houdt met het feit dat we deze fase alleen zagen ontstaan ​​op het grensvlak tussen film en substraat."

Om de structurele stabiliteit van de P- en AP-fasen van GaSe te vergelijken, de onderzoekers berekenden eerst de totale energie bij verschillende roosterconstanten in het vlak, die de grootte van een eenheidscel in het kristal vertegenwoordigen, aangezien de structuur een rooster omvat, 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.

Vervolgens, om te onderzoeken of de AP- en P-fasen in elkaar kunnen transformeren, ze bepaalden de energiebarrières die het materiaal moet oversteken om te veranderen, en bovendien moleculaire dynamische berekeningen uitgevoerd met behulp van een supercomputer (zie afbeelding 2). Ze ontdekten dat de energiebarrière voor faseovergang van P-fase en AP-fase GaSe-monolagen groot is vanwege de noodzaak om te breken en nieuwe bindingen te maken, die directe overgang van P- naar AP-fase verbiedt. Uit de berekeningen bleek ook dat de relatieve stabiliteit van de P-fase en AP-fase GaSe-monolagen kan worden omgekeerd door trekspanning toe te passen, of een uitrekkende kracht.

Het belang en de toekomstperspectieven van hun studie benadrukken, Prof. Yamada-Takamura zegt, "Gelaagde chalcogeniden zijn interessante 2D-materialen na grafeen, met een grote verscheidenheid en vooral bandgap. We hebben zojuist een nieuwe polymorf (geen polytype) ontdekt van een gelaagd monochalcogenide. De fysieke en chemische eigenschappen moeten nog worden ontdekt."

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