Tuning the ferroelectric-to-paraelectric transition temperature and dipole orientation of group-IV monochalcogenide monolayers

凝聚态物理 物理 相变 方向(向量空间) 铁电性 偶极子 格子(音乐) 电介质 结晶学 量子力学 化学 几何学 数学 声学
作者
Salvador Barraza‐Lopez,T. P. Kaloni,Shiva Prasad Poudel,Pradeep Kumar
出处
期刊:Physical review [American Physical Society]
卷期号:97 (2) 被引量:95
标识
DOI:10.1103/physrevb.97.024110
摘要

Coordination-related, two-dimensional (2D) structural phase transitions are a fascinating facet of two-dimensional materials with structural degeneracies. Nevertheless, a unified theoretical account of these transitions remains absent, and the following points are established through ab initio molecular dynamics and 2D discrete clock models here: Group-IV monochalcogenide (GeSe, SnSe, SnTe,...) monolayers have four degenerate structural ground states, and a phase transition from a threefold coordinated onto a fivefold coordinated structure takes place at finite temperature. On unstrained samples, this phase transition requires lattice parameters to evolve freely. A fundamental energy scale $J$ permits understanding this transition, and numerical results indicate a transition temperature ${T}_{c}$ of about $1.41J$. Numerical data provides a relation among the experimental (rhombic) parameter $\ensuremath{\langle}\mathrm{\ensuremath{\Delta}}\ensuremath{\alpha}\ensuremath{\rangle}$ [Chang et al., Science 353, 274 (2016)] and $T$ of the form $\ensuremath{\langle}\mathrm{\ensuremath{\Delta}}\ensuremath{\alpha}\ensuremath{\rangle}=\mathrm{\ensuremath{\Delta}}\ensuremath{\alpha}(T=0){\left(1\ensuremath{-}T/{T}_{c}\right)}^{\ensuremath{\beta}}$, with a critical exponent $\ensuremath{\beta}\ensuremath{\simeq}1/3$ that coincides with experiment. It is also shown that $\ensuremath{\langle}\mathrm{\ensuremath{\Delta}}\ensuremath{\alpha}\ensuremath{\rangle}$ is temperature independent in another theoretical work [Fei et al., Phys. Rev. Lett. 117, 097601 (2016)], and thus incompatible with experiment. ${T}_{c}$ and the orientation of the in-plane intrinsic electric dipole can be controlled by moderate uniaxial tensile strain, and a modified discrete clock model describes the transition on strained samples qualitatively. An analysis of out-of-plane fluctuations and a discussion of the need for van der Waals corrections to describe these materials are given too. These results provide an experimentally compatible framework to understand structural phase transitions in 2D materials and their effects on material properties.
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