Flexible MA2Z4 (M = Mo, W; A = Si, Ge and Z = N, P, As) monolayers with outstanding mechanical, dynamical, electronic, and piezoelectric properties and anomalous dynamic polarization

文献情報

出版日 2023-06-21
DOI 10.1039/D3CP01452E
インパクトファクター 3.676
著者

Xinxin Wang, Weiwei Ju, Dandan Wang, Xiaohong Li, Jianguo Wan


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要旨

We systematically investigate the mechanical, dynamical, and piezoelectric properties of MA2Z4 monolayers (M = Mo, W; A = Si, Ge and Z = N, P, As) based on first-principles calculations. The structural properties, cohesive energy and formation energy analyses show that all of the considered MA2Z4 monolayers are dynamically stable. Ab initio molecular dynamics simulations further indicate that the MA2Z4 monolayers can sustain stability at high temperatures. The MA2Z4 monolayers exhibit isotropic mechanical properties with the bearable largest strains exceeding 25% and 30% in the armchair and zigzag directions. All MA2Z4 monolayers exhibit semiconducting properties, and the band gaps change in a wide range. The piezoelectric constants e11 and d11 increase from 3.21 × 10−10 to 8.17 × 10−10 C m−1 and 0.73 to 6.05 pm V−1, respectively. We reveal that the piezoelectric coefficients are closely related to the ratio of the polarizabilities of the isolated anions and cations. Infrared spectroscopy indicates that the piezoelectricity is the overlap of the intrinsic dipole moments existing in the inner MZ2 monolayer and outer A2Z2 bilayer. Besides, the Born effective charges quantificationally show the contribution of component atoms to polarization. The anomalous dynamic polarization around M atoms is found, which is generated from the anti-bonding of the last occupied orbital. Our results indicate that the MA2Z4 monolayers have great potential in piezotronics and piezo-phototronics fields.

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DOI: 10.1039/C5CP90215K

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掲載誌

Physical Chemistry Chemical Physics

Physical Chemistry Chemical Physics
CiteScore: 5.5
自己引用率: 10.3%
年間論文数: 3036

Physical Chemistry Chemical Physics (PCCP) is an international journal co-owned by 19 physical chemistry and physics societies from around the world. This journal publishes original, cutting-edge research in physical chemistry, chemical physics and biophysical chemistry. To be suitable for publication in PCCP, articles must include significant innovation and/or insight into physical chemistry; this is the most important criterion that reviewers and Editors will judge against when evaluating submissions. The journal has a broad scope and welcomes contributions spanning experiment, theory, computation and data science. Topical coverage includes spectroscopy, dynamics, kinetics, statistical mechanics, thermodynamics, electrochemistry, catalysis, surface science, quantum mechanics, quantum computing and machine learning. Interdisciplinary research areas such as polymers and soft matter, materials, nanoscience, energy, surfaces/interfaces, and biophysical chemistry are welcomed if they demonstrate significant innovation and/or insight into physical chemistry. Joined experimental/theoretical studies are particularly appreciated when complementary and based on up-to-date approaches.

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