1。2二维磷烯单层材料

这十多年来的研究使得2D材料种类快速膨胀。最近单层黑磷收到了广泛关注（以下称为黑磷烯） ，与零带隙的石墨烯不同的是，单层黑磷烯具有 〜 1。5 eV 的直接带隙，而与 相比，其具有较高的载流子迁移率 。黑磷是所有磷的同素异形体中结构稳定的，然而最近有理论研究预言了另一种2D磷同素异形体，蓝磷烯，它具有与黑磷烯相同的稳定性，并且在结构上类似于石墨烯的蜂窝状晶格 。最近，实验研究者通过分子束外延技术成功地制备了单层蓝磷烯 。然而蓝磷烯是间接带隙半导体（> 2eV），不利于该材料在电子器件方面的应用 。另外在能带拓扑方面，黑磷烯和蓝磷烯只是可以用薛定谔型费米子描述的常规半导体，并无特殊的地方。 此外，磷烯在自然环境中易于氧化; 理论和实验已经提出了用惰性2D材料封装以防止氧化的方法 。另一方面，可控的表面修饰（包括氧化）是调控二维纳米材料物理和化学性质的有效方法。 这已被广泛应用于合成石墨烯衍生物中，以及在二维材料中产生拓扑非平庸半导体绝缘体 。先前还基于黑磷烯氧化物的研究发现氧化可以调控黑磷烯的带隙 。

1。3研究内容论文网

本研究中我们通过第一原理计算预测了一种新的二维材料，我们称为蓝磷烯氧化物（BPO），该结构可以被视为完全氧化的单层蓝磷烯。我们的计算结果表明BPO是热力学和动力学稳定的二维材料。 在平衡状态下，BPO在Γ点处具有微小的直接带隙。 低能能谱主要由三个能带构成，其中两个价带受晶格对称性保护在Γ点处简并。由于褶皱的晶格结构，BPO是非常软的并且可以承受较大的应变。更为奇特的是，施加较小的应变即可使得带隙闭合，并且带边能级在Γ点交换顺序，即发生半导体 - 半金属量子相变。 特别是在相变的临界点，费米面处三个能带在费米能级上的交叠与一个点，这一特殊的能带结构可用赝自旋为1费米子来描述。这样的特殊粒子在高能物理学中不具有直接的类似物，并且它们具有奇特的性质，如超克莱恩隧道和超准直性。而经过相变临界点之后，BPO变成对称保护的半金属（SSM），其导带和价带在单个费米点处简并，具有新型的2D双Weyl费米子，我们发现在低频下具有普遍的光吸收的显着特性。除了光学响应，我们认为电子传输性质也将在相变过程中显著变化。 已经构建了一种低能量有效模型，其捕获相变和新兴的费米子的基本特征。 我们的结果不仅预测了2D材料族的新成员，而且更重要的是，揭示了具有两种新型2D出现的费米子的基本上新的类型的量子相变。 结构稳定性，优异的机械性能和高度可调的电子和光学性能将使2D BPO成为纳米器件应用的有前景的材料。

图1。（a）2D单层蓝磷烯氧化物（BPO）的顶视图和（b）侧视图。 在（a）中，绿色阴影区域表示最小元胞。 a是晶格参数。 （c）具有高对称点标记的第一布里渊区。 （d）BPO的声子色散关系。

2。方法

本文中所有计算均采用基于密度泛函理论（DFT）的软件包VASP 。电子和离子之间的相互作用由投影缀加波赝势（PAW）描述 ，而电子之间的交换和相关性相互作用采用基于广义梯度近似的PBE泛函来描述。为了避免BPO与其周期性镜像之间的相互作用，Z方向晶格常数设为20 Å。 波函数采用平面波基函数展开，截止能量设为400 eV，不同于结构褶皱的黑磷烯， BPO的晶格具有 （P3 ordm1）的空间群对称性，最小元晶胞中仅包含两个P原子和两个O原子（参见图1a），晶格结构类似于实验上实现的石墨烷 和其他的2D材料 。完全优化后，BPO的平衡晶格常数3。68 Å。处于平衡态时P-P键和P-O键的键长分别为2。38和1。48 Å。而未氧化的蓝磷烯中晶格常数为3。33 Å，P-P键长为2。27 Å） 。由于氧基团的存在，平面内晶格常数略微增加。屈曲起伏的结构意味着两个P原子在垂直方向上处于不同的平面上，平衡状态下P-P和P-O键之间的键角度为116。9°（90°对应于纯平的结构）。