Straintrônica em fosforeno via deformações de tração versus cisalhamento e suas combinações para manipular o band gap

Scientific Reports volume 13, Artigo número: 13444 (2023) Citar este artigo

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Estudamos os efeitos da deformação por tração uniaxial e da deformação por cisalhamento, bem como suas combinações nas propriedades eletrônicas do fosforeno preto de camada única. As evoluções do band gap dependente de deformação são obtidas usando os cálculos numéricos dentro do modelo tight-binding (TB), bem como as simulações de primeiros princípios (DFT) e comparadas com descobertas anteriores. As descobertas baseadas no modelo TB mostram que o intervalo de bandas do fosforeno livre de deformação concorda com o valor experimental e depende linearmente do alongamento e do cisalhamento: aumenta (diminui) à medida que o alongamento aumenta (diminui), enquanto diminui gradualmente com o aumento do cisalhamento. Uma dependência linear é menos ou mais semelhante em comparação com aquela obtida nas simulações ab initio para deformação de cisalhamento, porém discorda de um comportamento não monotônico dos cálculos baseados em DFT para deformação de tração. Possíveis razões para a discrepância são discutidas. No caso de uma deformação combinada, quando ambos os tipos de deformação (tração/compressão + cisalhamento) são carregados simultaneamente, sua influência mútua estende a faixa de band gap realizável: de zero até os valores respectivos aos semicondutores de banda larga. Em uma deformação combinada ligada, a transição de fase semicondutor-semimetal no fosforeno é alcançável em uma deformação mais fraca (estritamente não destrutiva), o que contribui para o progresso fundamental e inovador.

A era pós-grafeno de materiais bidimensionais ou quase bidimensionais (2D) [na literatura, o termo “materiais 2D” refere-se àqueles sistemas termodinamicamente estáveis ​​em uma ou apenas algumas camadas atômicas (planos) de espessura (por exemplo, , grafeno - um plano atômico; fosforeno - dois planos atômicos) e possuindo propriedades que diferem de seus análogos de camadas em massa (grafite, fósforo)] obtiveram um impacto adicional para desenvolvimento adicional quando, em 2014, dois grupos diferentes1,2 esfoliaram independentemente a camada única fósforo preto – chamado “fosforeno” (mais adiante no texto que menciona o fosforeno, significaremos o preto) – do fósforo preto a granel, que por sua vez foi sintetizado pela primeira vez há mais de um século3,4. O fósforo é um dos elementos químicos abundantes na crosta terrestre (até ≈ 0,1%)5,6 e o ​​P preto (forma α) é o mais termodinamicamente estável em condições ambientais entre outros alótropos de fósforo (branco, vermelho, violeta e Fase A7)7,8. Desde 2014, extensos estudos são realizados para promover as investigações do fosforeno: centenas e até milhares de artigos que tratam deste material já foram publicados em todo o mundo (por exemplo, cada uma das bases de dados cienciométricas Web of Science e Scopus conta com quase dois mil de artigos contendo a palavra “fosforeno” logo no título).

Diferentemente do grafeno, que é plano (atomicamente plano), a estrutura cristalina do fosforeno representa uma monocamada atômica corrugada (ver Fig. 1a-d), onde cadeias de átomos de P ligados covalentemente residem em dois planos diferentes. Dentre a família de materiais 2D atualmente conhecidos, o fósforo preto monocamada atrai a atenção como um candidato promissor não apenas para a (opto)eletrônica, mas para toda a ciência dos materiais como um objeto interessante para estudo detalhado devido às suas características peculiares. O fosforeno possui um band gap direto natural no centro (ponto Γ) da zona de Brillouin (Fig. 1e); no entanto, seu valor calculado difere fortemente na literatura de 0,76 a 2,31 eV (ver dados coletados nas tabelas9,10 e Çakır et al.11) dependendo dos métodos computacionais e aproximações. Ao mesmo tempo, o valor do intervalo medido experimentalmente revelou-se também bastante diferente: de 1,45 eV1 para 2,05 eV12 e 2,2 eV13 (caindo linearmente numa escala logarítmica à medida que o número de camadas aumenta14 até 0,31–0,36 eV15,16,17,18 para fósforo preto a granel). Alguns autores alegaram valores de ban gap ainda mais elevados: até 2,2 eV. O fosforeno exibe uma alta relação de corrente liga/desliga (até ~ 105)19 e mobilidade de portador (ambipolar)20 (de 600 cm2V−1 s−1 em temperatura ambiente21 até ~ 103 cm2V−1 s−1 a 120 K e até maior em temperaturas mais baixas22, ou seja, comparável ao grafeno). É mais notável e é por isso que características dignas de atenção são a alta anisotropia (nas propriedades mecânicas, eletrônicas, ópticas, térmicas e de transporte)19,23,24,25,26,27,28, como resposta à anisotropia de a estrutura enrugada (também chamada de enrugada ou enrugada) e propriedades mecânicas superiores29,30.