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高压下二维碘氧化铋的电子相分离

已有 1478 次阅读 2019-2-22 09:34 |系统分类:论文交流

 二维材料一般具有物理性质奇特、对外部环境响应敏感等优点,极有望发展为下一代新型光电性能器件、能源存储器件等。卤氧化铋BiOX具有独特的二维层状结构:[Bi2O2]2+层为中心主体结构,两侧分别边为卤素原子X,以X-Bi-O-Bi-X为基本结构单元在(001)方向上交错堆垛排列。在实验和理论上关于BiOX在掺杂改性、晶面工程、应力应变等方面提升和改善材料性能的研究已经有很多,而且也已经取得了显著的成效。材料的性能与其电子结构息息相关,在较高的压力下材料的电子结构和晶体结构通常都会发生改变,从而得到一些具有新奇电子性质的高压相。例如在高压下会形成超导相、半导体-金属的转变、金属-绝缘体转变等。

 近日,北京航空航天大学郝维昌教授研究小组第一性原理计算表明通过对二维BiOI施加压力可以实现了电子相分离(electronic phase separation)。他们发现随着压力的增加,BiOI中Bi2O2层贡献的电子结构几乎没有变化,而I-I层贡献的电子结构对压力响应十分敏感,I-d轨道的能量迅速降低。在100 GPa时,导带内的I-dx2-y2轨道与原来的Bi-pz轨道在能量上发生反转,最终在160 GPa时穿过费米能级而使得体系呈现出金属性质,如图1所示。在高压时,Bi2O2层的电子结构仍显示半导体性质,而I-I层的电子结构则变成金属性。

                                               

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图1. BiOI能带结构随压力的变化

在压力作用下,二维BiOI的层结构单元互相靠近,范德瓦尔斯作用的I-I原子层间的相对滑移趋势和层间Bi-I原子的相互作用,使得BiOI在较低的压力范围内由四方相变成了正交相且Bi原子配位数由8变成9,如图2所示。随着压力继续增加,I-I原子层形成了I的高压金属相结构而使得在费米能级附近出现了新的I-d电子态。这可能与Bi-I与Bi-I之间的反对称拉伸振动模式Ag和Bi-O与I-I作用的呼吸振动模式B1u在高压下的振动强弱程度的反转有关。I-I原子、Bi-I原子。Bi-O原子在高压下相互作用强度的增涨速度是决定材料高压下电子性质的主要因素。该工作提供了一种通过压力调控二维层状BiOI材料的新手段,有望应用到这一系列上的其他材料中。相关工作成果发表在Physica Status Solidi (RRL) - Rapid Research Letters上。

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图2. BiOI在压力作用下的晶体结构和电子结构变化机制

 

文章链接:

[1]   High Pressure Driven Isostructural Electronic Phase Separation in 2D BiOI  Zhongfei Xu, Hui Li, Shuxian Hu, Jincheng Zhuang, Yi Du, Weichang Hao, Physica Status Solidi RRL 2019,13:1800650




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