[论文解读] Two-dimensional phosphorus carbide: Competition between sp2 and sp3 bonding

Jie Guan, Dan Liŭ+2 more|arXiv (Cornell University)|Apr 19, 2016

2D Materials and Applications被引用 11

一句话总结

该论文提出了一类通过sp²（石墨烯型）与sp³（黑磷型）成键竞争实现稳定的新型二维磷化碳（2D-PC）同素异形体。基于从头算密度泛函理论，作者通过拓扑分类数N（0–2）对结构进行分类，揭示了可调控的电子性质：N=0相为金属或半导体，其带隙可通过应变调节；N=1相具有直接带隙和各向异性的载流子特性；N=2相为半金属，具有各向异性的狄拉克锥，且在面内应变下均保持稳定。

ABSTRACT

We propose previously unknown allotropes of phosphorus carbide (PC) in the stable shape of an atomically thin layer. Different stable geometries, which result from the competition between sp2 bonding found in graphitic C and sp3 bonding found in black P, may be mapped onto 2D tiling patterns that simplify categorizing of the structures. Depending on the category, we identify 2D-PC structures that can be metallic, semi-metallic with an anisotropic Dirac cone, or direct-gap semiconductors with their gap tunable by in-layer strain.

研究动机与目标

• 识别具有独特电子性质的稳定、原子级薄的磷化碳（PC）同素异形体。
• 解决通过调控平面sp²与非平面sp³成键竞争来稳定二维PC的挑战。
• 提出一种基于同类最近邻原子数（N）的拓扑分类方案，以简化结构分类。
• 探索通过层内应变调控电子能带结构（尤其是带隙与狄拉克锥各向异性）的潜力。
• 评估通过设计分子前体的超分子组装方法合成这些二维-PC相的可行性。

提出的方法

• 采用基于PBE交换相关泛函和规范守恒赝势的从头算密度泛函理论（DFT）。
• 使用双ζ基组并包含极化轨道，同时采用15 Å的真空层以模拟孤立的二维薄片。
• 应用共轭梯度优化算法，直至原子受力低于0.01 eV/Å。
• 使用PBE和HSE06杂化泛函分别计算电子能带结构，以提高带隙计算的准确性。
• 将原子结构映射到二维密铺图案中，根据同类最近邻原子数定义结构类别N。
• 通过声子色散分析确认动力学稳定性，并通过面内形变研究应变响应。

实验结果

研究问题

• RQ1 稳定的、原子级薄的磷化碳（PC）同素异形体是否存在？其结构特征是什么？
• RQ2 sp²与sp³杂化之间的竞争如何影响二维-PC的几何构型与稳定性？
• RQ3 结构类别N（同类最近邻原子数）能否作为预测二维-PC同素异形体分类的框架？
• RQ4 不同N类别的电子性质（金属、半金属、半导体）是什么？它们如何随应变变化？
• RQ5 在二维-PC中，尤其是N=1结构，其本征带隙在多大程度上可通过面内应变实现调控？

主要发现

• N=0类别包含金属相以及一种在应变下自发重构的相，其直接带隙约为1.2 eV。
• N=1同素异形体具有约1.4 eV的直接带隙，并表现出显著的载流子有效质量各向异性，且在约5%的压缩应变下带隙关闭。
• N=2同素异形体最稳定，表现出半金属特性，其费米能级处存在各向异性的狄拉克锥。
• 所有二维-PC结构由于其非平面几何构型，可承受面内应变且能量成本较低。
• 二维-PC的结合能比纯石墨烯与黑磷烯能量之和低0.54 eV/atom，表明其合成面临热力学挑战。
• HSE06泛函计算结果证实其带隙比PBE更准确，尤其在N=1和N=2相中对电子结构的描述更为精确。