[論文レビュー] Two-dimensional phosphorus carbide: Competition between sp2 and sp3 bonding

Jie Guan, Dan Liŭ+2 more|arXiv (Cornell University)|Apr 19, 2016

2D Materials and Applications被引用数 11

ひとこと要約

本稿では、スピン2（グラフェンに類似）とスピン3（ブラックホスファレンに類似）の結合の間の競合によって安定化される新しい2次元炭化リン（2D-PC）同素体を提案する。ab initio密度汎関数理論を用いて、構造のトポロジー的分類番号N（0–2）に基づき構造を分類し、調整可能な電子的性質を明らかにした。N=0相は金属的または半導体的で、応力によってギャップが調整可能であり、N=1相は直接ギャップを示し、異方性を持つキャリアを有し、N=2相は半金属的で異方性を持つデルタコーンを示すが、すべての相が面内応力下でも安定である。

ABSTRACT

We propose previously unknown allotropes of phosphorus carbide (PC) in the stable shape of an atomically thin layer. Different stable geometries, which result from the competition between sp2 bonding found in graphitic C and sp3 bonding found in black P, may be mapped onto 2D tiling patterns that simplify categorizing of the structures. Depending on the category, we identify 2D-PC structures that can be metallic, semi-metallic with an anisotropic Dirac cone, or direct-gap semiconductors with their gap tunable by in-layer strain.

研究の動機と目的

• 特異な電子的性質を有する安定で原子的に薄いリン炭化物（PC）同素体を同定すること。
• 平面的sp²と非平面的sp³結合の競合を解消することで、2D-PCの安定化を図ること。
• 同じ近接原子数（N）を用いたトポロジー的分類スキームを考案し、構造の分類を簡略化すること。
• 面内応力による電子バンド構造の調整可能性、特にギャップとデルタコーンの異方性を調査すること。
• 設計された分子前駆体を用いたスーパーマルチ分子アセンブリを用いた2D-PC相の合成可能性を評価すること。

提案手法

• PBE交換相関関数とノーマルコンサービング擬ポテンシャルを用いたab initio密度汎関数理論（DFT）を採用した。
• 2次元スラブを孤立してモデル化するため、二重ζ基底関数に極化軌道を追加し、15 Åの真空層を設けた。
• 原子上の力が0.01 eV/Å未満になるまで共役勾配法を用いて最適化を実行した。
• PBEとHSE06ハイブリッド関数を用いて電子バンド構造を計算し、ギャップの精度を向上させた。
• 原子構造を2次元タイリングパターンにマッピングし、同じ近接原子数（N）に基づいて構造的カテゴリーNを定義した。
• ダイナミカルな安定性を確認するためフォノン分散を解析し、面内変形を用いて応力応答を検討した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 安定で原子的に薄いリン炭化物（PC）同素体が存在可能であり、その安定化に寄与する構造モチーフは何か？
• RQ2 sp²とsp³混成化の競合が、2D-PCの幾何学的形状と安定性にどのように影響を与えるか？
• RQ3 構造的カテゴリーN（同じ近接原子数）は、2D-PC同素体の分類を予測するフレームワークとして有効か？
• RQ4 異なるNカテゴリーにおける電子的性質（金属的、半金属的、半導体的）は何か、また応力の影響を受けてどのように変化するか？
• RQ5 特にN=1構造において、面内応力によって基本ギャップをどの程度調整可能か？

主な発見

• N=0カテゴリーには金属的相と、応力下で自発的に再構成された相が含まれ、直接ギャップが約1.2 eVである。
• N=1同素体は約1.4 eVの直接ギャップを示し、キャリア有効質量に顕著な異方性を示すが、約5％の圧縮応力でギャップが閉じる。
• N=2同素体は最も安定で、フェルミエネルギーに異方性を持つデルタコーンを示す半金属的性質を示す。
• すべての2D-PC構造は、非平面的幾何学的形状のおかげで、面内応力に対して低いエネルギー費用で耐える。
• 2D-PCの格子エネルギーは、純粋なグラフェンとブラックホスファレンの合計に比べて0.54 eV/原子低いことから、合成に thermodynamically 困難な課題があることが示唆された。
• HSE06関数の計算により、PBEに比べてより正確なギャップが得られ、特にN=1およびN=2相において電子構造の記述が改善された。