A comprehensive first-principles calculation has been carried out revealing that at sufficiently high Li concentration and certain well-defined configurations a phase transition from black to blue phosphorene can take place. Blue phosphorene, a newly predicted allotrope of phosphorus, possesses unique crystalline and electronic structure and is a promising candidate, not only for fundamental research but also for electronic and optoelectronic applications. Methods of growing high-quality blue phosphorene layers are highly desirable but challenging. Here, a kinetic pathway to grow blue phosphorene layers from black phosphorene layers via Li intercalation is proposed based on first-principles study. This study pointed out that Li atoms intercalated in black phosphorene could act as a “catalyst” in the “reactive region” of the lone pair of P atoms, leading to a P-P bond breaking and, subsequently, a local structural transformation from an orthorhombic lattice to an assembly of parallel narrow nanoribbons with rhombohedra-like symmetry. During Li deintercalation, these nanoribbons are self-mended and form blue phosphorene layers. The interlayer distance was found to be 4.60 Å for a double layer with AA stacking and 4.13 Å for a multilayer with ABC stacking, indicating monolayer blue phosphorene can be mechanically exfoliated. This study also points out the possibility of new phases in other systems, where intercalation can lead to an unexpected structural phase transition and even a discovery of novel materials.

中文翻译：

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锂相互作用引起的从黑色磷到蓝色磷的相变

已经进行了全面的第一性原理计算，揭示出在足够高的Li浓度和某些明确定义的构型下，可以发生从黑色磷到蓝色磷的相变。蓝色磷烯是一种新近预测的磷同素异形体，具有独特的晶体和电子结构，并且不仅在基础研究中而且在电子和光电应用中都是很有希望的候选者。生长高质量蓝色磷光体层的方法是非常需要的，但是具有挑战性。在此，基于第一性原理研究，提出了通过锂嵌入从黑色磷层生长蓝色磷层的动力学途径。这项研究指出，插在黑色磷烯中的Li原子可以充当孤对P原子“反应区”中的“催化剂”，导致PP键断裂，随后从正交晶格向具有菱形对称性的平行窄纳米带的组装体进行局部结构转换。在Li脱嵌过程中，这些纳米带会自行修复并形成蓝色磷光体层。对于具有AA堆叠的双层，发现层间距离为4.60Å，对于具有ABC堆叠的多层，层间距离为4.13，表明可以机械剥离单层蓝色磷光体。这项研究还指出了在其他系统中出现新相的可能性，在这些系统中，插层会导致意想不到的结构相变，甚至发现新材料。从正交晶格到具有菱形对称性的平行窄纳米带的组装的局部结构转换。在Li脱嵌过程中，这些纳米带会自行修复并形成蓝色磷光体层。对于具有AA堆叠的双层，发现层间距离为4.60Å，对于具有ABC堆叠的多层，层间距离为4.13，表明可以机械剥离单层蓝色磷光体。这项研究还指出了在其他系统中出现新相的可能性，在这些系统中，插层会导致意想不到的结构相变，甚至发现新材料。从正交晶格到具有菱形对称性的平行窄纳米带的组装的局部结构转换。在Li脱嵌过程中，这些纳米带会自行修复并形成蓝色磷光体层。对于具有AA堆叠的双层，发现层间距离为4.60Å，对于具有ABC堆叠的多层，层间距离为4.13，表明可以机械剥离单层蓝色磷光体。这项研究还指出了在其他系统中出现新相的可能性，在这些系统中，插层会导致意想不到的结构相变，甚至发现新材料。表明单层蓝色磷光体可以机械剥落。这项研究还指出了在其他系统中出现新相的可能性，在这些系统中，插层会导致意想不到的结构相变，甚至发现新材料。表明单层蓝色磷烯可以被机械剥落。这项研究还指出了在其他系统中出现新相的可能性，在这些系统中，插层会导致意想不到的结构相变，甚至发现新材料。