La monocouche de séléniure de gallium a récemment été découverte pour avoir une structure cristalline alternative et a diverses applications potentielles en électronique. Comprendre ses propriétés est crucial pour comprendre ses fonctions. Maintenant, des scientifiques du Japan Advanced Institute of Science and Technology et de l'Université de Tokyo ont exploré sa stabilité structurelle, états électroniques et transformation des phases cristallines.

Les matériaux solides comprennent un arrangement symétrique d'atomes qui confèrent des propriétés telles que la conductivité, solidité et durabilité. Les changements de taille peuvent changer cet arrangement, modifiant ainsi les propriétés globales du matériau. Par exemple, l'électrique, chimique, les propriétés optiques et mécaniques de certains matériaux peuvent changer à mesure que nous nous dirigeons vers l'échelle nanométrique. La science nous permet maintenant d'étudier les différences de propriétés à travers différentes dimensions dès le niveau monocouche (atomique).

Le séléniure de gallium (GaSe) est un métal-chalcogénure en couches, qui est connu pour avoir des polytypes, qui diffèrent par leur séquence d'empilement de couches, mais pas un polymorphe, qui a un arrangement atomique différent à l'intérieur de la couche. GaSe a suscité un grand intérêt dans les domaines de la recherche physique et chimique, en raison de son utilisation potentielle en photoconduction, conversion infrarouge lointain et applications optiques. Classiquement, une monocouche de GaSe est composée d'atomes de gallium (Ga) et de sélénium (Se) liés de manière covalente, avec les atomes de Se projetés vers l'extérieur, formant une structure en forme de prisme trigonal appelée phase P. Une partie du même groupe de recherche avait précédemment signalé une nouvelle phase cristalline de GaSe en utilisant la microscopie électronique à transmission dans Analyse de surface et d'interface , dans laquelle les atomes de Se sont disposés de manière trigonale antiprismatique par rapport aux atomes de Ga, appelée phase AP, avec une symétrie différente de la phase P conventionnelle (voir Figure 1). En raison de la nouveauté de cette structure monocouche, on sait très peu de choses sur la façon dont il change de forme. De plus, Comment les variations de la structure intracouche de ces composés affectent-elles la stabilité ?

Pour répondre à cela, M. Hirokazu Nitta et le professeur Yukiko Yamada-Takamura du Japan Advanced Institute of Science and Technology (JAIST) ont exploré la stabilité structurelle et les états électroniques des phases de la monocouche de GaSe à l'aide de calculs de premier principe, dans leur dernière étude en Examen physique B .

Hirokazu Nitta dit, "Nous avons découvert par des calculs de premiers principes que cette nouvelle phase est métastable, et la stabilité contre les inversions de phase conventionnelles à l'état fondamental lors de l'application d'une contrainte de traction, ce que nous pensons être fortement lié au fait que nous avons vu cette phase se former uniquement à l'interface film-substrat."

Pour comparer la stabilité structurelle des phases P et AP de GaSe, les chercheurs ont d'abord calculé l'énergie totale à différentes constantes de réseau dans le plan, qui représentent la taille d'une maille unitaire dans le cristal, étant donné que sa structure comprend un treillis, un réseau organisé d'atomes. L'énergie la plus basse qui correspond à l'état le plus stable a été calculée et à cet état, la phase P, s'est avérée plus stable que la phase AP.

Puis, rechercher si les phases AP et P peuvent se transformer l'une dans l'autre, ils ont déterminé les barrières énergétiques que le matériau doit franchir pour changer, et en outre effectué des calculs de dynamique moléculaire à l'aide d'un superordinateur (voir photo 2). Ils ont découvert que la barrière énergétique pour la transition de phase des monocouches de GaSe en phase P et en phase AP est probablement importante en raison de la nécessité de rompre et de créer de nouvelles liaisons, qui interdit le passage direct de la phase P à la phase AP. Les calculs ont également révélé que la stabilité relative des monocouches de GaSe en phase P et en phase AP peut être inversée en appliquant une contrainte de traction, ou une force de type étirement.

Soulignant l'importance et les perspectives d'avenir de leur étude, Le professeur Yamada-Takamura dit, "Les chalcogénures en couches sont des matériaux 2D intéressants après le graphène, ayant une grande variété et surtout bandgap. Nous venons de découvrir un nouveau polymorphe (pas un polytype) d'un monochalcogénure en couches. Ses propriétés physiques et chimiques restent à découvrir."

Ensemble, les résultats de cette étude décrivent la structure électronique d'une structure moins connue de GaSe qui peut fournir des informations sur le comportement de monocouches épitaxiées similaires, révélant encore un autre secret sur les membres inconnus de la famille de GaSe et les monochalcogénures apparentés.