[论文解读] Flexoelectricity in two-dimensional materials

Matteo Springolo, Miquel Royo+1 more|arXiv (Cornell University)|Oct 16, 2020

Nonlocal and gradient elasticity in micro/nano structures被引用 4

一句话总结

该论文通过在超原胞几何结构中建模应变梯度引起的电压响应，建立了一套从头算框架，用于计算二维材料中的弹电效应。该研究识别出两种不同的贡献——电子贡献和晶格介导贡献，其中未扰动电荷密度的四极矩起着关键作用，揭示了石墨烯和黑磷等二维材料中存在极大的弹电响应。

ABSTRACT

Flexoelectricity, the generation of a macroscopic polarization or voltage in response to strain gradients, is expected to be remarkably large in two-dimensional (2D) crystals. Here, building on recent developments in electronic-structure methods, we develop the theoretical tools to define and calculate flexoelectricity in 2D materials fully from first principles. In particular, we show that the voltage response to a flexural deformation can be calculated within a supercell geometry, corresponding to the surface unit cell of the flat configuration. By applying our methodology to graphene, silicene, phosphorene, BN and transition-metal dichalcogenide monolayers, we demonstrate that two distinct contributions exist, respectively of purely electronic and lattice-mediated nature. Within the former, we identify a key metric term, consisting in the quadrupolar moment of the unperturbed charge density.

研究动机与目标

• 建立一个从头算理论框架，用于计算二维材料中的弹电效应。
• 解析电子和晶格介导机制对弹电响应的贡献。
• 识别并量化一个基本的电子度量——未扰动电荷密度的四极矩——其对电子弹电响应的决定性作用。
• 将该方法应用于多种二维材料，包括石墨烯、硅烯、黑磷、氮化硼以及过渡金属二硫属化物。

提出的方法

• 基于电子结构方法的形式理论，用于定义和计算二维材料中的弹电效应。
• 采用对应于平坦构型表面原胞的超原胞几何结构，以模拟弯曲形变。
• 将总弹电响应分解为电子贡献和晶格介导贡献。
• 计算未扰动电荷密度的四极矩，作为关键的电子度量。
• 将该形式理论应用于石墨烯、硅烯、黑磷、氮化硼以及过渡金属二硫属化物的单层材料。
• 使用从头算密度泛函理论计算在应变梯度作用下的极化响应。

实验结果

研究问题

• RQ1 在电子层面，二维材料中弹电响应的起源是什么？
• RQ2 电子和晶格介导的弹电效应在大小和物理起源上如何不同？
• RQ3 未扰动电荷密度的四极矩在决定电子弹电响应中起什么作用？
• RQ4 弹电响应在石墨烯、黑磷以及过渡金属二硫属化物等不同二维材料中如何变化？
• RQ5 能否在超原胞方法下，利用从头算方法准确预测二维材料中的弹电效应？

主要发现

• 由于存在较大的应变梯度，预测到二维材料中存在显著的弹电响应，其贡献来自电子和晶格介导两种机制。
• 电子弹电响应由未扰动电荷密度的四极矩决定，该量作为关键的度量项。
• 晶格介导的贡献源于应变梯度下原子位移，对总极化响应有贡献。
• 该方法能够利用捕捉平坦相表面原胞的超原胞几何结构，实现弹电效应的精确从头算计算。
• 该框架成功预测了黑磷和过渡金属二硫属化物等材料中存在极大的弹电响应，与它们的各向异性和可极化特性一致。
• 将响应分解为电子和晶格组分，为理解其内在机制提供了清晰的物理解释。