二维SnSe材料的第一性原理研究

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以石墨烯为代表的二维材料以其奇特的物理化学特性和广泛应用前景吸引了越来越多的科研工作者的关注和研究。最近,单层和多层的黑磷被发现是一种各向异性直接带隙二维半导体材料,具有合适的能隙宽度以及非常高的载流子迁移率,从而成为二维材料研究的新热点。硒化锡(SnSe)具有类似黑磷的层状结构,具有较好的光电和热电性质,在光电探测与光电转换器件中具有应用前景。近期,有研究论文报道二维多层SnSe被成功合成,然而单层SnSe的物理性质,尤其是它的本征载流子迁移率、晶格热导率、应变响应等物理性质还不为人知。因此,我们采用基于密度泛函理论的第一性原理计算方法,对单层SnSe进行了系统和全面的研究,主要研究结果如下:  研究发现,单层SnSe具有与黑磷烯类似的几何结构,是黑磷烯的等电子体;具有1.45eV的间接带隙,在300K时具有低于3Wm-1K-1的超低的晶格热导率以及超过10000cm2V-1 S-1的超高载流子迁移率;在力学性质、电子结构、光学性质等方面表现出弱于黑磷烯的各向异性;晶格热导率和有效质量的各向异性很弱,接近各向同性。此外,单层SnSe具有很大的负泊松率,这表明其为拉胀材料;随着层数的增加,材料在结构和性质上的各向异性也会加强。  应变分析表明,单层SnSe在几何结构、力学性质与电子结构上对应变表现表现出非常强烈的响应。该材料具有非常小的杨氏模量,说明与其他二维材料相比特别的软,并且当沿着x方向施加一个非常小的压强(1.6 GPa)可以导致几何相变发生。由于单层SnSe是一种多能谷材料,单轴应变所导致的各个能谷与能峰的响应是不同的,这导致在一个很小的压强下就可以实现间接带隙与直接带隙的转变(<0.5 GPa)。尽管载流子的有效质量沿着不同方向在大小上表现出各向同性,由于有效质量和电子结构对于应力的响应是各向异性,导致了载流子迁移率表现出了很强的各向异性。  综上所述,我们对单层SnSe材料进行了系统全面的研究,发现其在电子结构、力学、热输运、载流子输运上都表现出了很多新奇而优异的物理特性,从而在纳米力学、纳米电子学和热电器件等领域都具有重要的应用前景,表明单层SnSe是继石墨烯、黑磷烯等之后又一种非常优异的二维材料。
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