多层硒化锡压电性质的第一性原理研究

来源 :中国科学院大学 | 被引量 : 0次 | 上传用户:hardy_0205
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压电性(piezoelectricity)是材料在受到外加应力时产生电荷积累的性质。材料的压电性提供了电和机械力相互转换的方式,我们可以通过这种转换方式来设计各种功能器件。同时,这种电能和机械能的相互转换,使得我们更好地收集和利用能量。常见的压电材料有石英(SiO2),锆钛酸铅(PZT),钛酸钡(BaTiO3),氧化锌(ZnO),氮化铝(AlN),聚偏二氟乙烯(PVDF)等,它们在应力传感器,超声换能器(Ultrasonic transducers),喷墨打印机等很多装置中都有广泛的应用,这些压电材料都是三维块体的形式。2014年,王中林实验组报道了观察到单层二硫化钼中的压电性的实验,这标志着压电性进入了二维材料的大门。实验测量的压电系数与之前理论计算预测的是很一致的,这说明我们可以通过理论计算的方法去研究二维材料的压电性,寻找更多的具有压电性的二维材料,为实验指导方向。  硒化锡(SnSe)是一种层状的半导体材料,它具有极高的ZT值和合适的带隙,这使得硒化锡成为非常有应用前景的热电和光电材料。由于单层硒化锡不具有反演对称性,所以它具有压电性,第一原理计算发现单层硒化锡具有巨大的压电性,单层硒化锡的压电系数的最大值比其他常规的压电材料的压电系数大两个数量级左右,这说明单层硒化锡是一种很有应用前景的压电材料。  二维材料除了单层的形式,还具有多层的形式。在本文中,通过第一性原理计算方法,我们系统地研究了多层硒化锡的物理性质包括几何、振动、电子和压电性质。这些物理性质是与层数相关的。我们计算了多层硒化锡的几何结构,发现当层数从1层增加到6层时,zigzag方向的晶格常数从4.27(A)减少到4.22(A),armchair方向的晶格常数从4.41(A)增加到4.51(A),接近块体的4.21(A)和4.52(A)。我们计算了单层和双层硒化锡的声子谱,发现单层和双层硒化锡中声子的最大振动频率分别是5.2THz和5.0THz;对于单层硒化锡,沿G-X方向的声速为3.0km·s-1,沿G-Y方向的声速为2.7km·s-1;对于双层硒化锡,沿G-X方向的声速为2.9km·s-1,沿G-Y方向的声速为2.3km·s-1。我们计算了多层硒化锡的能带结构,发现多层硒化锡是具有间接带隙的半导体,当层数从1层增加到6层时,电子能带的带隙从1.45eV减小到1.08eV,接近块体的0.95eV。我们计算了描述材料压电性质的压电系数,发现只有奇数层硒化锡具有压电性,并且压电d张量的系数随着层数的增加而减小。尽管压电性随层数的增加而减小,奇数层硒化锡的压电系数相比于常见的压电材料还是非常大的,说明了奇数层硒化锡是一种非常有应用前景的压电材料。
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