2D Materials编辑优选：挠曲电效应诱导的单层GeSe同质pn结
本篇研究来自华东师范大学段纯刚课题组。本文主要利用第一性原理计算探索了挠曲电效应对二维面内铁电材料能带的影响。结果显示在铁电引起的面内偶极子和挠曲电效应的联合作用下，单层硒化锗 (germanium selenide, GeSe)中可以形成同质pn结，且pn极性方向可被铁电极化调控。此结论不仅限于二维铁电材料，可以推广到任意存在面内偶极子的体系。
Flexoelectric effect induced p-n homojunction in monolayer GeSe
Jun-Ding Zheng，Yi-Feng Zhao，Zhi-Qiang Bao, Yu-Hao Shen，Zhao Guan，Ni Zhong，Fang-Yu Yue，Ping-Hua Xiang，Chun-Gang Duan（段纯刚）
通讯作者：
- 段纯刚，华东师范大学
本文利用第一性原理计算研究了挠曲电效应对GeSe单层的影响，结果如下:
1：当GeSe单层沿着手扶椅(极化)方向弯曲(BAS)时，最高占据分子轨道（HOMO）和最低未占据分子轨道（LUMO）会在实空间分离，形成Ⅱ 型能带排列。而沿着之字形(非极化)方向弯曲(BZS)时，HOMO和LUMO在实空间是重合的，为Ⅰ型能带排列。(图1所示）
图1：BAS(a)和BZS(b)对应的HOMO和LUMO实空间分布。(c) a图对应的层分辨态密度分布。
2：我们分析了Ⅱ 型能带排列的成因。挠曲电效应会在-z向产生挠曲电电场，并且面内偶极子会沿着弯曲的切向方向排列，在两侧产生反向的面外分量。由此结构两侧产生额外相反的静电能，产生Ⅱ 型能带排列。我们计算了弯曲结构对±z方向电场的反应，由此证明了挠曲电电场的存在。(图2所示）这种现象不仅限于GeSe单层，只要存在面内偶极子，在挠曲电效应的影响下都会产生类似的现象。
图2：(a)HOMO和LUMO在实空间分离的原理示意图。（b）HOMO和LUMO对电场的响应。
3：进一步分析了弯曲GeSe单层的输运性质，在BAS中，GeSe单层呈现出与pn结类似的整流性质。(图3所示）并且预计翻转极化方向，HOMO（n型）和LUMO（p型）的位置也会发生交换。这种现象可以用于非易失存储器件。
图3：Ⅱ(a)和Ⅰ (b)型能带排列示意图以及对应的I-V特性曲线。
研究背景：
二维材料由于其独特的性质和有前景的应用，最近受到越来越多的关注。它们通常表现出与体相不同的物理性质。随着维度的下降，材料的生长过程中容易形成纳米管、卷曲、波纹和气泡等弯曲结构。由此引起的挠曲电效应会对二维材料性质有重要影响。目前，二维材料中的挠曲电效应已被广泛研究。挠曲电效应可以有效的控制二维材料中的电导率、费米能级、直接-间接间隙跃迁、对电场的响应以及电势和载流子的分布。另一方面，近年来理论和实验成功确定了多种二维铁电材料的存在，但是对于二维铁电材料中的挠曲电效应的研究却不多见。因此，本文以具有面内铁电的单层GeSe为例，研究了挠曲电效应对其能带和光吸收的影响。
作者介绍
段纯刚 教授
华东师范大学
- 段纯刚，华东师范大学特聘教授，主要从事固体磁性、铁电、光学、多铁性和类脑硬件研究。在Nature Elec., Nat. Commun.、PRL、Adv. Mater.等国际著名学术刊物上共发表学术论文200余篇，被物理学顶级综述期刊Rev. Mod. Phys.、Science、Nature及其子刊等SCI引用逾9000次，另为四部中英文专著撰写章节。担任教育部创新团队极化类信息功能材料学术带头人，先后入选上海市领军人才，上海优秀学术带头人，国家“万人计划”领军人才等，获上海市自然科学二等奖(2012年)，上海市自然科学牡丹奖（2017）。现任npj Comput. Mater.副主编，J. Phys.: Condens. Matter等多家国际知名学术期刊编委。
期刊介绍
- 2021年影响因子：6.861 Citescore：11.6
2D Materials（2DM）是一本重要的高质量交叉学科期刊，将基础研究与迅速发展的新材料及应用汇集在一起。期刊从多学科的视角出发，力争涵盖石墨烯研究的各个方面，及其它二维材料的相关研究。文章内容包括：石墨烯和石墨烯衍生材料；硅和锗/锗烷氮化硼；二维拓扑绝缘子；复合氧化物；复合材料；新型二维分层结构。