[논문 리뷰] BP_5 Monolayer with Multiferroicity and Negative Poisson's Ratio: A Prediction by Global Optimization Method

Haidi Wang, Xingxing Li외 3명|arXiv (Cornell University)|2017. 02. 17.

2D Materials and Applications참고 문헌 49인용 수 6

한 줄 요약

이 연구는 글로벌 최적화 방법을 사용하여 안정적인 이차원 붕소 펜타플루오르화물(BP₅) 계면을 예측하며, 이는 멀티페로이크성과 평면 내 자발 분극(326.0 pC/m), 기록적인 복원 가능한 변형률 41.41%, 그리고 음의 푸아송 비율을 나타낸다. 이 물질은 간섭 간섭 밴드 간격 1.34 eV를 가진 간섭 간섭 반도체이며, 강한 이방성 광흡수 및 높은 실리콘 이동도를 보이며, 나노스케일 전기기계 및 옵티오일렉트로닉 장치에 유망하다. AlN (010)은 이성질적 에pitaxial 기질로 적합한 것으로 확인되었다.

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.

연구 동기 및 목표

• 글로벌 최적화 접근법을 사용하여 뛰어난 물리적 성질을 지닌 새로운 이차원 붕소 황화물 상을 발견하기 위해.
• 기존의 그래피티크 상보다 우수한 성능을 보이는 1:5 화학 스토이히오메트리(BP₅)를 가진 안정적인 2D 붕소 황화물 상을 특정하기 위해.
• 예측된 BP₅ 계면에서 다중 페로이크 거동, 즉 연계된 페로탄성 및 페로전기성의 발생을 조사하기 위해.
• 특히 변형 반응 및 밴드 구조를 고려하여 BP₅의 기계적 및 전자적 성질을 평가하기 위해.
• BP₅ 계면의 성장에 적합한 이성질적 기질을 결정하기 위해, 잠재적인 실험적 실현 가능성을 높이기 위해.

제안 방법

• 2D 붕소 황화물 상의 구조적 안정성과 전자적 성질을 탐색하기 위해 가변 성분을 가진 글로벌 최적화 알고리즘을 적용하였다.
• 예측된 BP₅ 상의 형성 에너지, 전자 구조, 기계적 안정성을 평가하기 위해 밀도함수이론(DFT) 계산을 수행하였다.
• 평면 내 분극을 계산하기 위해 베리 위상 방법을 사용하여 자발 분극 및 페로전기 거동을 분석하였다.
• 일축 변형 하에서 푸아송 비율을 계산하여 음의 푸아송 비율 거동을 탐지하기 위해 기계적 반응을 평가하였다.
• 유전율 함수 및 유효 질량 텐서의 DFT 기반 계산을 통해 광학적 이방성과 실리콘 이동도를 평가하였다.
• BP₅와 AlN (010) 사이의 인터페이스 에너지 분 析을 수행하여 이성질적 성장의 가능성을 평가하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 글로벌 최적화를 사용하여 1:5 화학 스토이히오메트리(BP₅)를 가진 안정적인 2D 붕소 황화물 상을 예측할 수 있으며, 이는 일반적으로 수용되는 그래피티크 상보다 낮은 형성 에너지를 가지는가?
• RQ2 예측된 BP₅ 계면은 연계된 페로탄성 및 페로전기성과 함께 내재된 다중 페로이크 거동을 나타내는가?
• RQ3 BP₅의 평면 내 자발 분극의 크기는 얼마이며, 그 원인은 무엇인가?
• RQ4 BP₅는 음의 푸아송 비율을 나타내며, 최대 복원 가능한 변형률은 얼마인가?
• RQ5 AlN (010)은 BP₅ 계면의 이성질적 에피택셜 성장에 실현 가능한 기질이 될 수 있는가?

주요 결과

• BP₅ 계면는 일반적으로 수용되는 그래피티크 붕소 황화물(g-BP)보다 낮은 형성 에너지를 가지며, 이는 열역학적 안정성이 더 높음을 나타낸다.
• 비대칭 중심이 없는 구조와 B 및 P 원자 간의 전기음성도 차이로 인해 큰 평면 내 자발 분극(326.0 pC/m)을 나타낸다.
• 일축 변형 하에서 BP₅는 이전에 보고된 모든 페로탄성 물질보다 기록적인 복원 가능한 변형률 41.41%를 보이며, 이를 초월한다.
• 물질은 음의 푸아송 비율을 나타내어, 이는 보조성 기계적 거동을 확인하며 기계적 내구성을 향상시킨다.
• BP₅는 간섭 간섭 밴드 간격 1.34 eV를 가지며, 강한 이방성 가시광선 흡수 및 높은 실리콘 이동도를 나타낸다.
• AlN (010) 표면은 유리한 인터페이스 에너지와 격자 일치 조건을 바탕으로, BP₅ 계면의 이성질적 에피택셜 성장에 적합한 기질로 예측된다.