[论文解读] Effect of shear strain on band structure and electronic properties of phosphorene

Yashasvi S. Ranawat, Rishabh Jain|arXiv (Cornell University)|Dec 16, 2015

2D Materials and Applications被引用 4

一句话总结

本研究采用密度泛函理论（DFT）研究剪切应变对黑磷烯电子性质的影响，发现剪切应变会减小带隙，并在两种方向（扶手椅方向和锯齿形方向）均在30%应变时诱导出半金属行为。电导率随应变增加而提高，在材料达到其极限强度时达到峰值，即扶手椅方向为30%，锯齿形方向为35%。沿扶手椅方向的各向异性输运性能得到增强。

ABSTRACT

We present an ab-initio investigation of effects of shear strain on band structure and electronic properties of 2D phosphorene. We carried out DFT calculations to determine the shear stress as a function of shear strain and found the monolayer phosphorene has ultimate strength at shear strain 30% and 35% in armchair and zigzag directions, respectively, and it was also found that the monolayer extends in z direction on applying shear strain in both directions. Additionally, we derived band structures of phosphorene along both directions under shear strain and have shown that band gap in phosphorene decreases along both directions and that phosphorene shows a semi-metal nature on applying shear strain of magnitude 30% in both directions. The electrical conductivity of phosphorene was estimated by effective mass along zigzag and armchair directions and it is shown that the electrical conductivity is far higher along armchair direction, and that with increasing shear strain conductivity increases along armchair, up to ultimate strength, and zigzag directions.

研究动机与目标

• 理解剪切应变如何影响单层黑磷烯的电子能带结构。
• 确定黑磷烯在剪切应变下的机械极限，特别是其极限强度。
• 分析在应变作用下沿扶手椅方向和锯齿形方向电导率的各向异性变化。
• 探索在高剪切应变下从半导体向半金属行为的转变。

提出的方法

• 采用从头算密度泛函理论（DFT）计算，以获得剪切应力随剪切应变的变化关系。
• 在不同剪切应变下，沿扶手椅方向和锯齿形方向推导黑磷烯的能带结构。
• 采用有效质量近似估算沿两个晶向的电导率。
• 分析剪切形变下的结构响应，包括面外膨胀。
• 沿扶手椅方向和锯齿形方向逐步施加剪切应变，以绘制机械与电子性质的转变图谱。
• 将极限强度定义为DFT模拟中结构失效前的最大应变。

实验结果

研究问题

• RQ1 剪切应变在扶手椅方向和锯齿形方向如何影响黑磷烯的带隙？
• RQ2 黑磷烯在何种剪切应变幅度下会从半导体转变为半金属？
• RQ3 电导率如何随剪切应变变化？其响应在扶手椅方向与锯齿形方向之间是否具有各向异性？
• RQ4 单层黑磷烯在两个晶向的极限剪切强度是多少？
• RQ5 面外晶格参数在剪切应变下如何变化？

主要发现

• 黑磷烯在剪切应变下表现出带隙减小，且在扶手椅方向和锯齿形方向均于30%剪切应变时转变为半金属。
• 单层黑磷烯的极限剪切强度在扶手椅方向为30%，在锯齿形方向为35%。
• 沿两个方向，电导率随剪切应变增加而提高，在材料达到极限强度时达到峰值。
• 在相同应变下，沿扶手椅方向的电导率显著高于锯齿形方向。
• 当黑磷烯在任一方向受到剪切应变时，其z方向发生膨胀，表明存在面外软化现象。
• 能带结构显示强烈的各向异性，电子性质在扶手椅方向的变化更为显著。