变形晶体不同形式的硒化镓单层的稳定性不同

最近发现硒化镓单层具有替代的晶体结构，并且在电子学中具有多种潜在应用。了解其特性对于了解其功能至关重要。现在，来自先进科学技术研究所和东京大学的科学家们对其结构稳定性、电子状态和晶相转变进行了探索。

固体材料由对称排列的原子组成，这些原子具有导电性、强度和耐用性等特性。尺寸的变化可以改变这种排列，从而改变材料的整体特性。例如，某些材料的电气、化学、光学和机械性能会随着我们向纳米尺度发展而发生变化。科学现在让我们可以直接从单层(原子)水平研究不同维度的特性差异。

硒化镓 (GaSe) 是一种层状金属硫属元素化物，已知其具有多型，它们的层堆叠顺序不同，但不是多晶型，其在层内具有不同的原子排列。GaSe 由于其在光电导、远红外转换和光学应用中的潜在用途，在物理和化学研究领域引起了极大的兴趣。通常，GaSe 单层由共价键合的镓 (Ga) 和硒 (Se) 原子组成，Se 原子向外突出，形成称为 P 相的三棱柱状结构。同一研究小组的一部分早些时候在表面和界面分析中使用透射电子显微镜报告了 GaSe 的新型晶相，其中Se原子与Ga原子呈三角反棱柱排列，称为AP相，具有不同于常规P相的对称性(见图1)。由于这种单层结构的新颖性，人们对其如何进行形状转换知之甚少。此外，这些化合物的层内结构的变化如何影响稳定性?

为了回答这个问题，高等科学技术研究院 (JAIST) 的 Hirokazu Nitta 先生和 Yukiko Yamada-Takamura 教授在他们最新的研究中使用第一性原理计算探索了GaSe 单层的结构稳定性和电子状态。物理评论B。

Hirokazu Nitta 说：“我们通过第一性原理计算发现，这个新相是亚稳态的，并且在施加拉伸应变后，对基态常规相的稳定性会逆转，我们认为这与我们看到这个相的事实密切相关仅在薄膜-基材界面形成。”

为了比较 GaSe 的 P 和 AP 相的结构稳定性，研究人员首先计算了不同面内晶格常数下的总能量，这些晶格常数代表晶体中晶胞的大小，因为它的结构包含一个晶格、有组织的原子网。计算了对应于最稳定状态的最低能量，发现在该状态下，P 相比 AP 相更稳定。

然后，为了研究 AP 和 P 相是否可以相互转化，他们确定了材料需要跨越的能垒，并使用超级计算机进行了分子动力学计算(见图 2)。他们发现 P 相和 AP 相 GaSe 单层相变的能垒很大可能是由于需要打破和形成新键，这阻止了从 P 相到 AP 相的直接转变。计算还表明，可以通过施加拉伸应变或拉伸型力来逆转 P 相和 AP 相 GaSe 单层的相对稳定性。

Yamada-Takamura 教授强调了他们研究的重要性和未来前景，他说：“层状硫属化物是继石墨烯之后有趣的二维材料，具有广泛的多样性，尤其是带隙。我们刚刚发现了一种新的多晶型(不是多型)层状单硫属化物。其物理和化学性质尚待发现。”

总之，这项研究的结果描述了一种鲜为人知的 GaSe 结构的电子结构，可以深入了解类似外延生长的单层的行为，揭示关于 GaSe 和相关单硫属化物的未知家族成员的另一个秘密。

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