[論文レビュー] Flexoelectricity in two-dimensional materials

Matteo Springolo, Miquel Royo+1 more|arXiv (Cornell University)|Oct 16, 2020

Nonlocal and gradient elasticity in micro/nano structures被引用数 4

ひとこと要約

本論文は、スーパセル幾何学を用いて歪み勾配に対する電圧応答をモデル化することで、2次元材料におけるフラクソエレクトリシティを第一原理的に計算するためのフレームワークを構築した。2つの異なる寄与—電子的および格子媒介的—を特定し、元の電荷密度の四極モーメントが重要な役割を果たすことが明らかになった。グラフène やブラックホリウムなどの2次元材料において、大きなフラクソエレクトリシティ応答が得られた。

ABSTRACT

Flexoelectricity, the generation of a macroscopic polarization or voltage in response to strain gradients, is expected to be remarkably large in two-dimensional (2D) crystals. Here, building on recent developments in electronic-structure methods, we develop the theoretical tools to define and calculate flexoelectricity in 2D materials fully from first principles. In particular, we show that the voltage response to a flexural deformation can be calculated within a supercell geometry, corresponding to the surface unit cell of the flat configuration. By applying our methodology to graphene, silicene, phosphorene, BN and transition-metal dichalcogenide monolayers, we demonstrate that two distinct contributions exist, respectively of purely electronic and lattice-mediated nature. Within the former, we identify a key metric term, consisting in the quadrupolar moment of the unperturbed charge density.

研究の動機と目的

• 2次元材料におけるフラクソエレクトリシティを第一原理的に計算する理論的フレームワークを確立すること。
• フラクソエレクトリシティ応答に寄与する電子的および格子媒介的メカニズムの寄与を解明すること。
• 電子的寄与を支配する根本的な電子的指標—元の電荷密度の四極モーメント—を特定・定量すること。
• グラフene、シリセン、ブラックホリウム、BN、遷移金属ジカルコイドハイドリドを含む多様な2次元材料に、この手法を適用すること。

提案手法

• 2次元材料におけるフラクソエレクトリシティの定義と計算を可能にする、電子構造法に基づく形式的枠組み。
• 平坦状態の表面単位格子に対応するスーパセル幾何学を用いて、曲げ変形をモデル化する。
• 全フラクソエレクトリシティ応答を電子的および格子媒介的寄与に分解する。
• 元の電荷密度の四極モーメントを、主要な電子的指標として計算する。
• グラフene、シリセン、ブラックホリウム、BN、遷移金属ジカルコイドハイドリドの単層に、この形式的枠組みを適用する。
• 第一原理的密度汎関数理論を用いて、歪み勾配下における極化応答を計算する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 2次元材料におけるフラクソエレクトリシティ応答の電子的起源は何か？
• RQ2 電子的および格子媒介的寄与の大きさと物理的起源は、どのように異なるか？
• RQ3 元の電荷密度の四極モーメントは、電子的フラクソエレクトリシティ応答を決定づける上で、どのような役割を果たすか？
• RQ4 グラフene、ブラックホリウム、遷移金属ジカルコイドハイドリドなどの異なる2次元材料において、フラクソエレクトリシティ応答はどのように変化するか？
• RQ5 スーパセルアプローチを用いた第一原理的手法により、2次元材料におけるフラクソエレクトリシティ効果を正確に予測できるか？

主な発見

• 大きな歪み勾配が生じるため、2次元材料において顕著なフラクソエレクトリシティ応答が予測され、電子的および格子媒介的メカニズムからの寄与が存在する。
• 電子的寄与は、元の電荷密度の四極モーメントによって支配され、これが主要な指標項として機能する。
• 格子媒介的寄与は、歪み勾配下での原子の変位に起因し、全極化応答に寄与する。
• 平坦状態の表面単位格子を捉えるスーパセル幾何学を用いることで、正確な第一原理的フラクソエレクトリシティ計算が可能になる。
• このフレームワークは、ブラックホリウムや遷移金属ジカルコイドハイドリドのような、異方的かつ高極性化性を示す材料において、大きなフラクソエレクトリシティ応答を正確に予測できた。
• 応答を電子的および格子成分に分解することで、背後にあるメカニズムの明確な物理的解釈が可能になった。