单层CrS?中机械和电子性质的应变工程：一项密度泛函理论研究

《Computational Condensed Matter》：STRAIN ENGINEERING OF MECHANICAL AND ELECTRONIC PROPERTIES IN MONOLAYER CRS 2: A DENSITY FUNCTIONAL THEORY STUDY

　　摘要本研究基于密度泛函理论，系统研究了单层CrS2的力学性能、应力–应变关系以及应变依赖的电子结构。几何优化得到晶格参数a = b = 3.05 ?，h = 2.94 ?。计算得到的弹性常数证实了在线性弹性范围内具有近乎各向同性的力学行为，其杨氏模量约为109.97 N/m，体积模量约为70.83 N/m，剪切模量约为45.00 N/m。Pugh比值（剪切模量/体积模量）> 0.57表明其具有脆性特征。在单轴和双轴拉伸应变下的应力–应变分析表明，在4%–6%应变以下呈现线性弹性行为，临界应力值分别为σxx = 3.51 N/m，σyy = 4.62 N/m，σbia = 4.04 N/m。Cr–S键长（d1和d2）随应变方向的变化进一步阐明了微观变形机制。电子结构计算表明，单层CrS2在平衡状态下是直接带隙半导体，其Perdew–Burke–Ernzerhof和Heyd–Scuseria–Ernzerhof带隙分别为0.96 eV和1.707 eV。在单轴应变下，带隙在?10.0%到+10.0%范围内变化很小，保持在1.70–1.90 eV之间，并且在|ε| > 4.0%时发生直接到间接带隙的转变。相比之下，双轴应变引起更强的调制：在压缩下带隙增加到约2.0 eV，在拉伸下迅速减小，并在+10.0%时通过应变驱动的半导体到半金属转变而闭合。这些发现表明，双轴应变在调节单层CrS2的电子性能方面比单轴应变更有效，突显了其在应变工程电子和光电器件、微机电系统以及下一代柔性电子中的潜力。引言单层石墨烯的成功合成开创了二维（2D）材料科学的新纪元。自那以来，二维材料体系因其丰富的物理性质，包括半导体、绝缘、热电、光电和磁性行为[1]–[4]，而引起了科学界的广泛关注。这些多样的性质使二维材料成为现代技术应用的有前途的候选者。除了这些物理性质外，一些二维材料还拥有诸如莫特绝缘态和超导性等新奇性质[5]，为推进我们对低维系统中凝聚态物理的理解提供了机会。值得注意的是，已有近2000种二维材料被理论预测或实验合成，展示了这一发展领域的巨大潜力[6]。二维材料在数量和多样性上的爆发式增长突显了进行系统研究以阐明材料结构与性质之间关系的必要性。这类研究有助于识别个别材料的独特优势，并指导其针对特定应用的选择。二硫化铬（CrS2）是一种过渡金属硫族化合物（TMD），因其预测的物理性质和潜在应用而引起了关注。之前的理论研究已经调查了单层CrS2的电子特性，包括其可能的电子相和拓扑特征[7], [8]。此外，通过化学气相沉积法合成超薄CrS2薄膜已经证明了以二维形式获得这种材料的实验可行性[9]。这些研究为进一步研究单层CrS2的结构、力学和电子性质提供了基础。在可以调节二维材料物理性质的各种外部扰动中，机械应变已成为定制其电子结构最有效和可逆的方法之一。在二维过渡金属硫族化合物（TMDs）中，应变工程已被证明能够诱导电子能带结构的显著修改，包括直接到间接带隙转变、连续带隙调谐，以及在足够大的形变下应变驱动的半导体到半金属转变[10]–[12]。这些应变诱导的转变源于晶格形变下过渡金属d态和硫族元素p态之间轨道杂化的修改，并且强烈依赖于所施加应变的大小和方向性。特别地，双轴应变已被证明比单轴应变更能引起电子能带结构的重构[3], [13]。之前的理论研究已经调查了单层CrS2的结构、电子和应变依赖性质[14], [15]。这些研究表明，机械形变可以改变其电子结构和其他物理性质。在这些发现的基础上，本研究提供了在不同方向的单轴应变和双轴应变下，力学响应、Cr–S键长演变和电子结构变化的比较分析。这种方法使我们能够检查加载模式、拉伸响应和带隙演变之间的关系，包括在大双轴拉伸应变下的半导体到半金属转变。之前的研究也调查了单层CrS2的力学和应变依赖性质。Sharma等人检查了其结构形变和力学响应，并与CrSe2和Janus CrSSe进行了比较，包括弹性性质、拉伸行为和Cr–S键长的演变[16]。Devi等人研究了单轴应变下CrS2的机械强度和电子响应，作为对MX2单层和纳米带更广泛研究的一部分[17]。此外，Priyanka等人报道了单层CrS2在单轴和双轴应变下的应变依赖电子和光学性质[18]。这些工作已经为CrS2的力学行为和应变敏感性建立了重要的见解。因此，本研究并不声称是对该材料力学性质或应变诱导电子变化的首次研究。相反，它侧重于不同加载模式下力学响应、键长演变和电子结构变化的比较分析。尽管之前的研究已经涉及单层CrS2的力学性质和应变依赖电子行为，但将其方向依赖的力学响应、Cr–S键形变和不同加载模式下的电子结构演变联系起来的比较分析仍然有价值。特别是，同时检查这些方面可以进一步深入了解单轴和双轴形变如何影响该材料的力学和电子特性。因此，本研究使用第一性原理计算，系统调查了单层CrS2的晶体结构、弹性常数、应力–应变关系和应变依赖电子性质。力学响应在沿x和y方向的单轴应变以及双轴应变下进行评估。分析了Cr–S键长的演变，以将原子尺度的结构形变与力学响应联系起来。还检查了相应的电子能带结构和带隙演变，关注带隙大小、直接或间接特性的变化，以及在大双轴拉伸应变下的半导体到半金属转变。通过将这些分析结合起来，本研究提供了单层CrS2中机械形变、键长演变和电子结构变化之间关系的比较描述，与应变工程的二维电子和光电系统相关。章节片段模拟参数所有计算均使用Quantum ESPRESSO软件包[19]在从头算密度泛函理论（DFT）框架内进行。采用平面波基组，波函数和电荷密度的动能截断能分别为70 Ry和700 Ry，以确保总能量收敛[20]。根据Monkhorst–Pack方案[21]，使用15×15×1 k点网格对布里渊区进行采样。交换–关联相互作用采用广义结构优化图1展示了本工作中考虑的单层CrS2的优化晶胞结构。该结构具有六方晶格，Cr原子处于三棱柱配位中，夹在两层S原子之间，形成特征性的S–Cr–S构型，如图1(a–c)所示。在图1(a)中，d1和d2分别表示连接Cr原子与上层和下层S原子中S原子的Cr–S键长。在平衡状态下，这些键是等价对称的，d1 = d2 = 2.292结论基于密度泛函理论（DFT），本工作系统研究了单层CrS2的力学和电子性质，特别强调了机械应变的影响。优化后的结构展现出过渡金属硫族化合物（TMDs）的特征性S–Cr–S构型，同时具有高结构稳定性和近乎各向同性的弹性行为。计算得到的弹性常数满足Born稳定性准则，证实了内在CRediT作者贡献声明Tran The Quang：写作 – 初稿。Le Nhat Bang：方法学、数据管理。Do Van Truong：可视化、监督。利益冲突声明作者声明，他们没有任何已知的竞争性经济利益或个人关系可能影响本文所报告的工作。Tran The Quang|Le Nhat Bang|Do Van Truong