[論文レビュー] BP_5 Monolayer with Multiferroicity and Negative Poisson's Ratio: A Prediction by Global Optimization Method

Haidi Wang, Xingxing Li+3 more|arXiv (Cornell University)|Feb 17, 2017

2D Materials and Applications参考文献 49被引用数 6

ひとこと要約

本研究では、グローバル最適化手法を用いて安定な二次元ホウ素ペンタホスファイド（BP₅）単層を予測し、その材料が平面内自发分極（326.0 pC/m）を示す多フェロイック性、記録的な可逆的ひずみ（41.41%）、および負のポisson比を示すことが判明した。材料は間接半導体であり、1.34 eVのバンドギャップを有し、強い異方性光学吸収および高いキャリア移動度を示す。これはナノスケール電機械的およびオプトエレクトロニクス素子に有望である。AlN (010) はエpitaxial基板として適していると特定された。

ABSTRACT

Based on variable components global optimization algorithm, we predict a stable two-dimensional (2D) phase of boron phosphide with 1:5 stoichiometry, i.e. boron pentaphosphide (BP_5) monolayer, which has a lower formation energy than that of the commonly believed graphitic phase (g-BP). BP_5 monolayer is a multiferroic material with coupled ferroelasticity and ferroelectricity. The predicted reversible strain is up to 41.41%, which is the largest among all reported ferroelastic materials. Due to the non-centrosymmetric structure and electronegativity differences between boron and phosphorus atoms, an in-plane spontaneous polarization of 326.0 pC/m occurs in BP_5. Moreover, the recently hunted negative Poisson's ratio property, is also observed in BP_5. As an indirect semiconductor with a band gap of 1.34 eV, BP_5 displays outstanding optical and electronic properties, for instance strongly anisotropic visible-light absorption and high carrier mobility. The rich and extraordinary properties of BP_5 make it a potential nanomaterial for designing electromechanical or optoelectronic devices, such as nonvolatile memory with conveniently readable/writeable capability. Finally, we demonstrate that AlN (010) surface could be a suitable substrate for epitaxy growth of BP_5 monolayer.

研究の動機と目的

• グローバル最適化アプローチを用いて、優れた物理的特性を示す新しい2次元ホウ素ホスファイド相の発見を目的とする。
• 従来のグラフィチック相よりも優れた性能を示す1:5化学 stoichiometry（BP₅）の安定な2次元ホウ素ホスファイド相の同定を目的とする。
• 予測されたBP₅単層に、フェロエラスティシティとフェロエレクトリシティが結合した多フェロイック行動が出現するかを調査することを目的とする。
• 特にひずみ応答とバンド構造に注目して、BP₅の機械的および電子的性質を評価することを目的とする。
• BP₅単層のエpitaxial成長を可能にする適切なエpitaxial基板の特定を目的とする。

提案手法

• 構造的安定性および2次元ホウ素ホスファイド相の電子的性質を調査するために、変動成分を有するグローバル最適化アルゴリズムを採用した。
• 予測されたBP₅相の形成エネルギー、電子構造、機械的安定性を評価するために、密度汎関数理論（DFT）計算を実施した。
• 平面内分極を計算するためにBerry位相法を用いて、自発分極およびフェロエレクトリック行動を分析した。
• 一軸ひずみ下でのポisson比を計算することで、負のポisson比行動を検出するための機械的応答を評価した。
• 誘電関数および有効質量テンソルのDFTベース計算を通じて、光学異方性およびキャリア移動度を評価した。
• エpitaxial成長の可能性を評価するために、BP₅とAlN (010) 間の界面エネルギー分析を実施した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 グローバル最適化を用いて、1:5化学 stoichiometry（BP₅）の安定な2次元ホウ素ホスファイド相を予測できるか。また、グラフィチック相よりも低い形成エネルギーを有するか。
• RQ2 予測されたBP₅単層は、フェロエラスティシティとフェロエレクトリシティが結合した内在的多フェロイック行動を示すか。
• RQ3 BP₅における平面内自発分極の大きさは何か。その原因は何か。
• RQ4 BP₅は負のポisson比を示すか。最大可逆的ひずみは何か。
• RQ5 AlN (010) は、BP₅単層のヘテロエピタキシー成長に実用的なエpitaxial基板として機能できるか。

主な発見

• BP₅単層は、一般的に受け入れられているグラフィチックホウ素ホスファイド（g-BP）よりも低い形成エネルギーを示しており、より高い熱力学的安定性を示す。
• 非対称構造とB原子とP原子間の電負率差により、大きな平面内自発分極（326.0 pC/m）を示す。
• 一軸ひずみ下で、これまで報告されたフェロエラスティック材料を上回る記録的な可逆的ひずみ（41.41%）を示す。
• 負のポisson比を示しており、これはアUXETICな機械的挙動を確認し、機械的頑丈さを向上させることを裏付ける。
• BP₅は間接半導体であり、バンドギャップが1.34 eVであり、強い可視光吸収の異方性および高いキャリア移動度を示す。
• 界面エネルギーと格子マッチングの両面で有利であるため、AlN (010) 表面はBP₅単層のエpitaxial成長に適した基板であると予測された。