[论文解读] Peierls transition and edge reconstruction in phosphorene nanoribbons

Ajanta Maity, Akansha Singh+1 more|arXiv (Cornell University)|Apr 9, 2014

2D Materials and Applications参考文献 2被引用 18

一句话总结

本研究采用密度泛函理论（DFT）研究黑磷纳米带（PNRs）的原子和电子结构，发现纯线性PNRs发生边缘重构，而更宽的锯齿形PNRs经历Peierls转变，两者均打开带隙。同时具有两种边缘类型的混合PNRs同时表现出这两种现象，使所有PNRs均变为半导体——这对电子应用至关重要。

ABSTRACT

Atomic and electronic structures of phosphorene nanoribbons are studied within density functional theory. These novel materials present different physical phenomena expected in two very different physical systems: one dimensional metallic chains and semiconductor surfaces. While `rugged' nanoribbons are semiconducting in their layer-terminnated structures, pure `linear' and `zigzag' nanoribbons are metallic due to metallic edge states. Linear nanoribbons undergo edge reconstruction and zigzag nanoribbons beyond a certain width undergo Peierls transition leading to opening of a band gap in the electronic structure and lowering of total energy. Mixed nanoribbons with linear and zigzag edges on the two sides turn out to be a curious case that display both edge reconstruction and Peierls transition simultaneously. Most phosphoeren nanoribbons turn out to be semiconductors having important implications for their application.

研究动机与目标

• 通过第一性原理DFT计算，理解黑磷纳米带（PNRs）的原子和电子结构。
• 研究具有不同边缘类型（线性、锯齿形、混合）的PNRs是否表现出金属性或半导体性。
• 确定边缘重构和Peierls转变在调节电子能带结构和降低总能量中的作用。
• 通过考虑Peierls畸变，澄清先前关于锯齿形PNRs金属性行为的矛盾报告。
• 通过晶格能分析评估各种PNR结构的相对稳定性。

提出的方法

• 使用PBE交换相关泛函和PAW赝势进行DFT计算。
• 采用500 eV平面波截断能，单层使用(8×1×8) k点网格；纳米带在x和z方向分别使用(8×1×1)和(1×1×8) k点网格。
• 在非周期性方向施加15 Å的真空间距，以避免层间相互作用。
• 采用共轭梯度优化法进行全原子弛豫，力低于0.01 eV/Å。
• 所有计算均使用VASP代码完成，并使用HSE06杂化泛函验证部分结果。
• 通过分析能带结构、轨道贡献和电荷密度分布，识别边缘态和重构效应。

实验结果

研究问题

• RQ1 具有纯线性或锯齿形边缘的黑磷纳米带是否经历结构和电子转变，从而打开带隙？
• RQ2 同时具有线性和锯齿形边缘的混合黑磷纳米带是否能同时表现出边缘重构和Peierls转变？
• RQ3 不同类型PNRs的晶格能如何比较？哪种结构最稳定？
• RQ4 为何先前的研究报告锯齿形PNRs具有金属性行为？Peierls畸变如何解决这一矛盾？
• RQ5 在混合PNRs中，破坏的反演对称性在影响边缘态局域化和带隙形成方面起什么作用？

主要发现

• 纯线性黑磷纳米带（l-PNRs）发生边缘重构，降低总能量并形成带隙。
• 更宽的锯齿形黑磷纳米带（z-PNRs）经历Peierls转变，打开带隙，并使总能量降低1.44 eV。
• 同时具有线性和锯齿形边缘的混合PNRs在直线边缘发生边缘重构，在锯齿形边缘发生Peierls转变，最终形成0.125 eV的带隙。
• 除窄的z-PNRs（1–3个原子宽）外，所有PNRs均因结构不稳定性而变为半导体，其中边缘重构的l-PNR最稳定，晶格能为5.333 eV/原子。
• 混合PNRs在重构和Peierls转变后的晶格能为5.327 eV/原子，介于l-PNR和z-PNR之间。
• 轨道分析证实，混合PNRs中最高价带来自锯齿形边缘原子的p_x和p_y轨道，而导带则源自线性边缘原子的p_x和p_y轨道。