[论文解读] BP_5 Monolayer with Multiferroicity and Negative Poisson's Ratio: A Prediction by Global Optimization Method

Haidi Wang, Xingxing Li+3 more|arXiv (Cornell University)|Feb 17, 2017

2D Materials and Applications参考文献 49被引用 6

一句话总结

本研究利用全局优化方法预测了一种稳定且二维的硼五磷化物（BP₅）单层，揭示其具有面内自发极化（326.0 pC/m）的多铁性、41.41%的创纪录可逆应变以及负泊松比。该材料为间接带隙半导体，带隙为1.34 eV，表现出强烈的各向异性光学吸收和高载流子迁移率，因此在纳米尺度机电和光电器件方面具有广阔前景，其中AlN (010)被确定为合适的外延衬底。

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.

研究动机与目标

• 利用全局优化方法发现具有优异物理性能的新型二维硼磷化物相。
• 识别一种具有1:5化学计量比（BP₅）的稳定2D硼磷化物相，其性能优于传统的石墨烯相。
• 研究预测的BP₅单层中多铁性行为的出现，包括铁弹性与铁电性的耦合。
• 评估BP₅的机械与电子性质，特别是其应变响应与能带结构。
• 确定可用于BP₅单层外延生长的合适外延衬底，以实现潜在的实验制备。

提出的方法

• 采用可变组分全局优化算法，探索二维硼磷化物相的结构稳定性和电子性质。
• 通过密度泛函理论（DFT）计算评估预测BP₅相的生成能、电子结构和机械稳定性。
• 利用贝里相位法计算面内极化，分析自发极化和铁电行为。
• 通过计算单轴应变下的泊松比，评估机械响应并检测负泊松比行为。
• 基于DFT计算介电函数和有效质量张量，评估光学各向异性和载流子迁移率。
• 对BP₅与AlN (010)之间的界面能进行分析，评估外延生长的可行性。

实验结果

研究问题

• RQ1 能否利用全局优化方法预测一种具有1:5化学计量比（BP₅）的稳定2D硼磷化物相，且其生成能低于石墨烯相？
• RQ2 预测的BP₅单层是否表现出内在的多铁性行为，包括铁弹性与铁电性的耦合？
• RQ3 BP₅的面内自发极化大小是多少，其成因是什么？
• RQ4 BP₅是否表现出负泊松比，其最大可逆应变是多少？
• RQ5 AlN (010)能否作为BP₅单层异质外延生长的可行外延衬底？

主要发现

• BP₅单层的生成能低于广泛接受的石墨烯硼磷化物（g-BP），表明其具有更高的热力学稳定性。
• 该材料由于其非对称中心结构以及B与P原子间的电负性差异，表现出高达326.0 pC/m的面内自发极化。
• 在单轴应变下，BP₅展现出41.41%的创纪录可逆应变，超过所有先前报道的铁弹性材料。
• 材料表现出负泊松比，证实其具有负刚度（auxetic）机械行为，从而增强其机械鲁棒性。
• BP₅为间接带隙半导体，带隙为1.34 eV，表现出强烈的可见光各向异性吸收和高载流子迁移率。
• 基于有利的界面能和晶格匹配，预测AlN (010)表面是BP₅单层外延生长的合适衬底。