[论文解读] Layer dependence of geometric, electronic and piezoelectric properties of SnSe

Wuzhang Fang, Lichuan Zhang+4 more|arXiv (Cornell University)|Mar 6, 2016

2D Materials and Applications被引用 3

一句话总结

这项从头算研究调查了SnSe的层数依赖性几何、电子和压电性质。结果表明，随着层数增加，晶格常数和带隙逐渐减小并趋近体材料值；而由于破坏了反演对称性，奇数层SnSe表现出强烈的压电性，优于已知的压电材料。

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.

研究动机与目标

• 系统研究多层SnSe的层数依赖性几何、电子和压电性质。
• 理解层间相互作用在调节结构和电子行为中的作用。
• 确定SnSe表现出压电响应的条件，特别关注层对称性的影响。
• 评估少层SnSe作为高性能压电材料的潜力。

提出的方法

• 采用从头算密度泛函理论（DFT）计算研究了1至6层的SnSe。
• 进行了结构优化，以确定平衡晶格常数和原子位置。
• 计算了电子能带结构和态密度，以分析带隙随层数的变化。
• 使用有限位移法计算了压电张量分量，以评估压电响应。
• 进行了对称性分析，以确定不同层结构中是否存在反演中心。
• 通过收敛性测试和结构弛豫确保了计算性质的准确性。

实验结果

研究问题

• RQ1 从单层到体材料，SnSe的晶格常数如何随层数增加而变化？
• RQ2 随着层数增加，SnSe的电子带隙如何演变？
• RQ3 SnSe的各向异性来源是什么，其随厚度如何变化？
• RQ4 为何偶数层和体SnSe缺乏压电响应，而奇数层SnSe表现出强烈的压电性？
• RQ5 奇数层SnSe的压电系数与已知压电材料相比如何？

主要发现

• 沿锯齿方向的晶格常数从单层的4.27 Å减小到6层的4.22 Å，趋近体材料的4.21 Å。
• 沿扶手椅方向的晶格常数从单层的4.41 Å增加到6层的4.51 Å，趋近体材料极限的4.52 Å。
• SnSe的带隙从单层的1.45 eV减小到6层的1.08 eV，趋近体材料带隙0.95 eV。
• 体相和偶数层SnSe具有反演对称性，因此无压电响应。
• 奇数层SnSe缺乏反演对称性，表现出显著高于传统压电材料的压电系数。
• SnSe的各向异性随层堆叠而增强，单层SnSe几乎对称，而体SnSe表现出强烈的各向异性。