[论文解读] Semiconductor to Metal Transition, Dynamical Stability and Superconductivity of Strained Phosphorene

G. Q. Huang, Zhongwen Xing|arXiv (Cornell University)|Sep 25, 2014

2D Materials and Applications被引用 4

一句话总结

本研究通过第一性原理计算表明，垂直应变和双层黑磷（BLP）层间距调控可诱导半导体-金属相变，并稳定一种具有增强电子-声子耦合的动力学相。关键发现是，当层间距减小至0.7d₀时，BLP可成为一种有前途的BCS超导体，预测临界温度（Tc）约为10 K，其驱动力为强层间范德华相互作用，从而增强超导配对。

ABSTRACT

Very recently, field-effect transistors based on few-layer phosphorene crystals with thickness down to a few nanometres have been successfully fabricated, triggering interest in this new functional two-dimensional material. In this work, we apply the first-principles calculations to studying the evolution of electronic structures and lattice dynamics with vertical strain for monolayer and bilayer phosphorenes. It is found that, by changing the thickness of phosphorene or the strain applied on it, its band gap width can be well tuned, and there will appear a transition from semiconductor to metal. In particular, the bilayer phosphorene may become a good BCS superconductor by adjusting the interlayer distance, in which the interlayer van der Waals coupling is favorable to the dynamical stability against strain.

研究动机与目标

• 研究垂直应变下单层和双层黑磷的电子与振动响应。
• 确定应变黑磷的动力学稳定极限，并比较单层与双层体系。
• 通过调控层间距，探索双层黑磷中实现超导的潜力。
• 理解范德华相互作用在稳定双层黑磷金属相和超导相中的作用。

提出的方法

• 使用Quantum-ESPRESSO软件包中的PWSCF程序进行第一性原理密度泛函理论（DFT）计算。
• 采用超软赝势和GGA-PBE交换-关联泛函，平面波截断能为30 Ry。
• 通过DFT-D2方法引入范德华校正，以精确模拟层间相互作用。
• 应用线性响应理论计算动力学矩阵和声子色散关系。
• 通过埃里亚希伯格谱函数α²F(ω)和自洽电子-声子矩阵元计算电子-声子耦合。
• 利用Allen-Dynes改进的McMillan方程估算超导转变温度Tc，其中μ* = 0.1。

实验结果

研究问题

• RQ1 垂直应变如何影响单层和双层黑磷的带隙及电子结构？
• RQ2 单层和双层黑磷在垂直应变下的动力学稳定范围是什么？
• RQ3 层间距调控如何影响双层黑磷的电子-声子耦合及超导潜力？
• RQ4 层间范德华相互作用在稳定双层黑磷金属相和超导相中起什么作用？

主要发现

• 当层间距减小至0.85d₀时，双层黑磷的带隙关闭，表明发生半导体-金属相变。
• 当层间距减小至0.65d₀或更小时，双层黑磷出现动力学不稳定，表明在0.65d₀ < d < 0.85d₀范围内存在稳定的金属相。
• 埃里亚希伯格谱函数α²F(ω)显示，随着层间距减小，低频声子模显著增强，表明电子-声子耦合增强。
• 在d = 0.7d₀时，电子-声子耦合常数λ急剧增加至1.45，显著增强超导配对。
• 在d = 0.7d₀时，估算的超导转变温度Tc达到约10 K，表明双层黑磷可成为一种优良的BCS超导体。
• 由于层间范德华相互作用的稳定作用，双层黑磷在垂直应变下的动力学稳定范围比单层黑磷更宽。