È stato recentemente scoperto che il monostrato di seleniuro di gallio ha una struttura cristallina alternativa e ha diverse potenziali applicazioni in elettronica. Comprendere le sue proprietà è fondamentale per comprenderne le funzioni. Ora, scienziati del Japan Advanced Institute of Science and Technology e dell'Università di Tokyo hanno esplorato la sua stabilità strutturale, stati elettronici e trasformazione delle fasi cristalline.

I materiali solidi comprendono una disposizione simmetrica di atomi che conferiscono proprietà come conduttività, forza e durata. I cambiamenti nelle dimensioni possono cambiare questa disposizione, modificando così le proprietà complessive del materiale. Ad esempio, l'elettrico, chimico, le proprietà ottiche e meccaniche di alcuni materiali possono cambiare man mano che ci muoviamo verso la nanoscala. La scienza ora ci consente di studiare le differenze nelle proprietà tra le varie dimensioni a partire dal livello monostrato (atomico).

Il seleniuro di gallio (GaSe) è un metallo-calcogenuro stratificato, che è noto per avere politipi, che si differenziano per la sequenza di sovrapposizione degli strati, ma non un polimorfo, che ha una diversa disposizione atomica all'interno dello strato. GaSe ha suscitato un grande interesse nei settori della ricerca fisica e chimica, a causa del suo potenziale utilizzo nella fotoconduzione, conversione del lontano infrarosso e applicazioni ottiche. Convenzionalmente, un monostrato di GaSe è composto da atomi di gallio (Ga) e selenio (Se) legati covalentemente, con gli atomi di Se che sporgono verso l'esterno, formando una struttura prismatica trigonale chiamata fase P. Parte dello stesso gruppo di ricerca aveva precedentemente riportato una nuova fase cristallina di GaSe utilizzando la microscopia elettronica a trasmissione in Analisi di superfici e interfacce , in cui gli atomi di Se sono disposti in modo antiprismatico trigonale agli atomi di Ga, denominata fase AP, con una simmetria diversa dalla fase P convenzionale (vedi Figura 1). A causa della novità di questa struttura monostrato, si sa molto poco su come cambia la sua forma. Inoltre, in che modo le variazioni nella struttura intrastrato di tali composti influenzano la stabilità?

Per rispondere a questo, Il Sig. Hirokazu Nitta e il Prof. Yukiko Yamada-Takamura del Japan Advanced Institute of Science and Technology (JAIST) hanno esplorato la stabilità strutturale e gli stati elettronici delle fasi del monostrato di GaSe utilizzando calcoli dei primi principi, nel loro ultimo studio in Revisione fisica B .

Hirokazu Nitta dice, "Abbiamo scoperto attraverso i calcoli dei primi principi che questa nuova fase è metastabile, e la stabilità contro la fase convenzionale dello stato fondamentale si inverte applicando la deformazione a trazione, che pensiamo sia fortemente correlato al fatto che abbiamo visto questa fase formarsi solo all'interfaccia film-substrato."

Per confrontare la stabilità strutturale delle fasi P e AP di GaSe, i ricercatori hanno prima calcolato l'energia totale a diverse costanti reticolari nel piano, che rappresentano le dimensioni di una cella unitaria nel cristallo, dato che la sua struttura comprende un reticolo, una rete organizzata di atomi. L'energia più bassa che corrisponde allo stato più stabile è stata calcolata e in questo stato, la fase P, è risultata più stabile della fase AP.

Quindi, per indagare se le fasi AP e P possono trasformarsi l'una nell'altra, hanno determinato le barriere energetiche che il materiale deve attraversare per cambiare, e inoltre eseguito calcoli di dinamica molecolare utilizzando un supercomputer (vedi figura 2). Hanno scoperto che la barriera energetica per la transizione di fase dei monostrati di GaSe in fase P e in fase AP è grande probabilmente a causa della necessità di rompere e creare nuovi legami, che vieta il passaggio diretto dalla fase P alla fase AP. I calcoli hanno anche rivelato che la stabilità relativa dei monostrati di GaSe in fase P e in fase AP può essere invertita applicando una deformazione a trazione, o una forza di tipo allungamento.

Evidenziando l'importanza e le prospettive future del loro studio, Il prof. Yamada-Takamura dice, "I calcogenuri stratificati sono interessanti materiali 2-D dopo il grafene, avendo un'ampia varietà e soprattutto bandgap. Abbiamo appena scoperto un nuovo polimorfo (non politipo) di un monocalcogenuro stratificato. Le sue proprietà fisiche e chimiche devono ancora essere scoperte".

Insieme, i risultati di questo studio descrivono la struttura elettronica di una struttura meno conosciuta di GaSe che può fornire approfondimenti sul comportamento di monostrati simili cresciuti epitassialmente, rivelando ancora un altro segreto sui membri della famiglia sconosciuti di GaSe e relativi monocalcogenuri.