[論文レビュー] Layer dependence of geometric, electronic and piezoelectric properties of SnSe

Wuzhang Fang, Lichuan Zhang+4 more|arXiv (Cornell University)|Mar 6, 2016

2D Materials and Applications被引用数 3

ひとこと要約

この第一原理的研究では、SnSeの層数依存の幾何学的・電子的・圧電的性質が調査されている。層数を増やすことで格子定数およびバンドギャップがバルク値に近づく一方、奇数層のSnSeは逆転対称性の破れにより強い圧電性を示し、既知の圧電材料を上回る性能を示す。

ABSTRACT

By means of first-principles calculations, we explore systematically the geometric, electronic and piezoelectric properties of multilayer SnSe. We find that these properties are layer-dependent, indicating that the interlayer interaction plays an important role. With increasing the number of SnSe layers from 1 to 6, we observe that the lattice constant decreases from 4.27 $\mathring{A}$ to 4.22 $\mathring{A}$ along zigzag direction, and increases from 4.41 $\mathring{A}$ to 4.51 $\mathring{A}$ along armchair direction close to the bulk limit (4.21 $\mathring{A}$ and 4.52 $\mathring{A}$, respectively); the band gap decreases from 1.45 eV to 1.08 eV, approaching the bulk gap 0.95 eV. Although the monolayer SnSe exhibits almost symmetric geometric and electronic structures along zigzag and armchair directions, bulk SnSe is obviously anisotropic, showing that the stacking of layers enhances the anisotropic character of SnSe. As bulk and even-layer SnSe have inversion centers, they cannot exhibit piezoelectric responses. However, we show that the odd-layer SnSe have piezoelectric coefficients much higher than those of the known piezoelectric materials, suggesting that the odd-layer SnSe is a good piezoelectric material.

研究の動機と目的

• 多層SnSeの層数依存の幾何学的・電子的・圧電的性質を体系的かつ包括的に調査すること。
• 層間相互作用が構造的および電子的性質をどのように制御するかを理解すること。
• SnSeが圧電応答を示す条件、特に層の対称性の役割を特定すること。
• 少数層SnSeが高性能圧電材料としての可能性を評価すること。

提案手法

• 1〜6層のSnSeを対象に、第一原理的密度汎関数理論（DFT）計算を実施した。
• 平衡格子定数および原子位置を決定するために構造最適化を実施した。
• バンド構造および状態密度を計算し、層数に伴うバンドギャップの変化を分析した。
• 有限変位法を用いて圧電テンソル成分を計算し、圧電応答を評価した。
• 異なる層構造における逆転中心の有無を特定するために対称性解析を実施した。
• 収束テストおよび構造的緩和を実施し、計算された性質の正確性を保証した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 モノレイヤーからバルクに至る層数の増加に伴い、SnSeの格子定数はどのように変化するか？
• RQ2 層数の増加に伴い、SnSeの電子的バンドギャップはどのように変化するか？
• RQ3 SnSeの異方性の起源は何か？また、層厚さに伴いどのように変化するか？
• RQ4 偶数層およびバルクSnSeはなぜ圧電応答を示さないのか？一方、奇数層SnSeはなぜ強い圧電性を示すのか？
• RQ5 奇数層SnSeの圧電係数は、既知の圧電材料と比較してどの程度高いか？

主な発見

• ズイガク方向の格子定数は、モノレイヤーの4.27 Åから6層の4.22 Åに減少し、バルク値の4.21 Åに近づく。
• アームチェア方向の格子定数は、モノレイヤーの4.41 Åから6層の4.51 Åに増加し、バルク限界の4.52 Åに近づく。
• SnSeのバンドギャップは、モノレイヤーの1.45 eVから6層の1.08 eVに減少し、バルクバンドギャップの0.95 eVに収束する。
• バルクおよび偶数層SnSeは逆転対称性を有するため、圧電応答を示さない。
• 奇数層SnSeは逆転対称性を欠き、従来の圧電材料よりも顕著に高い圧電係数を示す。
• SnSeの異方性は層積みの増加に伴い増大し、モノレイヤーSnSeはほぼ対称的であるが、バルクSnSeは強く異方的である。