[논문 리뷰] Layer dependence of geometric, electronic and piezoelectric properties of SnSe

Wuzhang Fang, Lichuan Zhang외 4명|arXiv (Cornell University)|2016. 03. 06.

2D Materials and Applications인용 수 3

한 줄 요약

이 첫 번째 원리 연구는 SnSe의 계면 의존성 기하학적, 전자적, 피에조전기적 성질을 조사한다. 증가하는 계면 수에 따라 격자 상수가 감소하고 밴드 갭이 밀도 값에 가까워지며, 홀수 계면 SnSe는 대칭성이 깨져 강한 피에조전기성을 나타내어 기존의 피에조전기 재료를 능가한다.

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.

연구 동기 및 목표

• 다층 SnSe의 계면 의존성 기하학적, 전자적, 피에조전기적 성질을 체계적으로 조사하기 위해.
• 계면 간 상호작용이 구조적 및 전자적 거동을 어떻게 조절하는지 이해하기 위해.
• 특히 층 대칭성에 초점을 맞춰 SnSe가 피에조전기 반응을 나타내는 조건을 규명하기 위해.
• 소수의 층으로 이루어진 SnSe가 고성능 피에조전기 재료로서의 잠재력을 평가하기 위해.

제안 방법

• 1에서 6 층까지의 SnSe를 연구하기 위해 첫 번째 원리 밀도함수이론(DFT) 계산을 사용하였다.
• 균형 격자 상수와 원자 위치를 결정하기 위해 구조 최적화를 수행하였다.
• 밴드 갭의 변화를 분석하기 위해 전자 밴드 구조와 상태 밀도를 계산하였다.
• 유한 이동 방법을 사용하여 피에조전기 텐서 성분을 계산하여 피에조전기 반응을 평가하였다.
• 다양한 층 구조에서의 역행 대칭 중심의 유무를 판단하기 위해 대칭성 분석을 실시하였다.
• 수렴 테스트와 구조적 안정화를 통해 계산된 성질의 정확성을 확보하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 모노레이어에서 부터 부스터까지 계면 수가 증가함에 따라 SnSe의 격자 상수가 어떻게 변화하는가?
• RQ2 계면 수가 증가함에 따라 SnSe의 전자 밴드 갭은 어떻게 변화하는가?
• RQ3 SnSe의 이방성의 근본 원인은 무엇이며, 층 두께에 따라 어떻게 변화하는가?
• RQ4 왜 짝수 계면 및 부스터 상태의 SnSe는 피에조전기 반응이 없고, 홀수 계면 SnSe는 강한 피에조전기성을 나타내는가?
• RQ5 홀수 계면 SnSe의 피에조전기 계수는 기존의 알려진 피에조전기 재료와 비교해 어떻게 되는가?

주요 결과

• 자이거그 방향의 격자 상수는 모노레이어에서 4.27 Å에서 6 층에서 4.22 Å로 감소하여 부스터 값인 4.21 Å에 수렴한다.
• 아르메어 방향의 격자 상수는 모노레이어에서 4.41 Å에서 6 층에서 4.51 Å로 증가하여 부스터 한계인 4.52 Å에 수렴한다.
• SnSe의 밴드 갭은 모노레이어에서 1.45 eV에서 6 층에서 1.08 eV로 감소하여 부스터 밴드 갭인 0.95 eV에 수렴한다.
• 부스터 및 짝수 계면 SnSe는 역행 대칭성을 지니며 따라서 피에조전기 반응이 없다.
• 홀수 계면 SnSe는 역행 대칭성을 가지지 않으며, 기존의 피에조전기 재료보다 훨씬 높은 피에조전기 계수를 나타낸다.
• SnSe의 이방성 특성은 층의 적층에 따라 증가하며, 모노레이어 SnSe는 거의 대칭적이지만 부스터 SnSe는 강한 이방성을 나타낸다.