Galliumselenidmonoskiktet har nyligen upptäckts ha en alternativ kristallstruktur och har olika potentiella tillämpningar inom elektronik. Att förstå dess egenskaper är avgörande för att förstå dess funktioner. Nu, forskare från Japan Advanced Institute of Science and Technology och University of Tokyo har utforskat dess strukturella stabilitet, elektroniska tillstånd och transformation av kristallfaser.

Fasta material består av ett symmetriskt arrangemang av atomer som ger egenskaper som konduktivitet, styrka och hållbarhet. Ändringar i storlek kan ändra detta arrangemang, därigenom förändras materialets övergripande egenskaper. Till exempel, det elektriska, kemisk, optiska och mekaniska egenskaper hos vissa material kan förändras när vi rör oss mot nanoskalan. Vetenskapen låter oss nu studera skillnaderna i egenskaper över olika dimensioner ända från monolager (atomär) nivå.

Galliumselenid (GaSe) är en skiktad metallkalkogenid, som är känt för att ha polytyper, som skiljer sig i sin staplingssekvens av lager, men inte en polymorf, som har ett annat atomarrangemang inuti lagret. GaSe har väckt ett stort intresse för områden av fysikalisk och kemisk forskning, på grund av dess potentiella användning i fotokonduktion, fjärrinfraröd konvertering och optiska tillämpningar. Konventionellt, ett GaSe-monoskikt består av gallium (Ga) och selen (Se) atomer bundna kovalent, med Se-atomerna som skjuter utåt, bildar en trigonal prismaliknande struktur som kallas P-fasen. En del av samma forskargrupp hade tidigare rapporterat en ny kristallfas av GaSe med hjälp av transmissionselektronmikroskopi Yt- och gränssnittsanalys , varvid Se-atomerna är arrangerade på ett trigonalt antiprismatiskt sätt till Ga-atomerna, kallas AP-fasen, med en symmetri som skiljer sig från den konventionella P-fasen (se bild 1). På grund av nyheten med denna monolagerstruktur, mycket lite är känt om hur den ändrar sin form. Dessutom, hur påverkar variationer i strukturen mellan skikten av sådana föreningar stabiliteten?

För att svara på detta, Hirokazu Nitta och prof. Yukiko Yamada-Takamura från Japan Advanced Institute of Science and Technology (JAIST) undersökte strukturstabiliteten och elektroniska tillstånd för faser av GaSe-monoskikt med hjälp av beräkningar av första principerna, i sin senaste studie i Fysisk granskning B .

Hirokazu Nitta säger, "Vi har tagit reda på genom beräkningar av de första principerna att denna nya fas är metastabil, och stabilitet mot den konventionella fasen i grundtillståndet vänder vid applicering av dragpåkänning, vilket vi tror är starkt relaterat till det faktum att vi såg denna fas bildas endast vid film-substratgränssnittet."

För att jämföra den strukturella stabiliteten för P- och AP-faserna av GaSe, forskarna beräknade först den totala energin vid olika gitterkonstanter i planet, som representerar storleken på en enhetscell i kristallen, med tanke på att dess struktur består av ett gitter, ett organiserat nätverk av atomer. Den lägsta energin som motsvarar det mest stabila tillståndet beräknades och vid detta tillstånd, P-fasen, visade sig vara mer stabil än AP-fasen.

Sedan, för att undersöka om AP- och P-faserna kan omvandlas till varandra, de bestämde de energibarriärer som materialet måste passera för att förändras, och utförde dessutom molekylära dynamikberäkningar med hjälp av en superdator (se bild 2). De fann att energibarriären för fasövergång av P-fas och AP-fas GaSe-monoskikt är stor sannolikt på grund av behovet av att bryta och skapa nya bindningar, som förbjuder direkt övergång från P- till AP-fas. Beräkningarna avslöjade också att den relativa stabiliteten för P-fas och AP-fas GaSe monolager kan vändas genom att applicera dragpåkänning, eller en kraft av sträcktyp.

Understryker vikten och framtidsutsikterna för deras studier, Prof. Yamada-Takamura säger, "Laktade kalkogenider är intressanta 2D-material efter grafen, med stor variation och särskilt bandgap. Vi har precis tagit reda på en ny polymorf (inte polytyp) av en skiktad monokalkogenid. Dess fysiska såväl som kemiska egenskaper har ännu inte upptäckts."

Tillsammans, resultaten av denna studie beskriver den elektroniska strukturen av en mindre känd struktur av GaSe som kan ge insikter i beteendet hos liknande epitaxiellt odlade monolager, avslöjar ännu en hemlighet om de okända familjemedlemmarna till GaSe och relaterade monokalkogenider.