柔性二维Janus MSiGeN?，具有优异的机械、压电和振动性能

《Surface Science》：Flexible 2D Janus MSiGeN 4 with excellent mechanical, piezoelectric and vibrational properties

　　

摘要

Janus二维材料因其对称性破缺而具有许多优异的性能，被广泛应用于压电性和光电子领域。本文通过密度泛函理论（DFT）探索了二维Janus MSiGeN₄（M=Cr、Hf、Mo、Nb、Ta、Ti、V、W和Zr）的力学、压电和振动性质。Janus MSiGeN₄比MSi₂N₄更柔软，但比MGe₂N₄更刚硬。在所有体系中，HfSiGeN₄具有最大的m_e*和m_h*。Janus WSiGeN₄的e₁₁和d₁₁大于WSi₂N₄和WGeN₄。面内应变压电极化远强于垂直压电极化。NbSiGeN₄具有最大的机电耦合常数0.310，表明其具有优异的机电能量转换能力。通过Born有效电荷和Bader电荷分析来阐明压电性能的强度。还探索了红外光谱和介电常数。

引言

二维（2D）材料因其优异的性能而引起了极大的关注，包括磁性[1,2]、铁电性[3]、力学性能[4,5]和电子性质[[6], [7], [8]]，这使得它们在催化[9]、能量存储[10]、锂离子电池[11]和超级电容器[12]方面具有潜在的应用前景。因此，人们对探索新型二维材料进行了广泛的研究，以满足不同应用的需求[[13], [14], [15]]。已合成的二维材料包括MXenes[16]、硅烯[17]、磷烯[18]等。二维层状材料因其优越的力学和电子性能而表现出前所未有的特性，为电子和光子应用开辟了新机遇[19]。

最近，MoSi₂N₄通过化学气相沉积实验合成[20]。MoSi₂N₄具有N-Si-N-Mo-N-Si-N结构，其中MoN₂片层嵌入在两个Si-N双层层之间。MoSi₂N₄的杨氏模量（Y）远高于MXene和MoS₂[21]，并因其半导体特性和优异的光学性能而用于p型晶体管[22,23]。MoSi₂N₄是新型二维层状MA₂Z₄家族（M：4d/5d过渡金属；A：Si/Ge；Z：N/P/As）的一员，该家族共有72个成员，大大扩展了二维家族[24]。MA₂Z₄家族具有许多突出的性能，如更高的载流子迁移率、压电性和力学性能[[25], [26], [27]]。MoSi₂N₄和WSi₂N₄单层在谷电子学和自旋电子学中有重要应用[28]。

Janus二维材料因其对称性破缺而具有优异的性能[29]，被广泛应用于光催化、压电性和光电子领域[[30], [31], [32], [33]]。Janus材料的镜面不对称性破坏了面外结构对称性。Janus GaSSe表现出非凡的压电性能，压电系数为1.9 × 10^-10 C/m [34]。Janus石墨烯具有强大的表面活性剂作用，被广泛应用于水/有机界面[35]。Janus表面基团增强了Janus Hf₂COOH和Hf₂COSe的量子电容（C_diff）[36]。最近成功合成的Janus MoSSe具有高电子载流子迁移率[37]，是潜在的水裂解光催化剂[38]。

力学性能是耐辐照材料的重要参数。MoSi₂N₄的杨氏模量测量值为491.4 GPa，理论值为479 GPa [20]，高于MoS₂（270 GPa）[39]和h-BN单层（275.9 GPa）[40]。压电性可以评估电能和机械能之间转换的能力，存在于非中心对称结构中。MSi₂N₄（M=IVB族）单层的压电系数范围为2.23 × 10^-10至4.42 × 10^-10 C/m。二维Janus材料也被报道具有自旋-谷和压电性[41,42]。

受Janus二维材料优异性能启发，我们通过密度泛函理论（DFT）探索了Janus MSiGeN₄（M=Cr、Hf、Mo、Nb、Ta、Ti、V、W和Zr）的力学、压电和振动性质。Janus MSiGeN₄单层是通过对MoSi₂N₄单层中的Mo原子和Si原子分别用M原子和Ge原子替换得到的。该研究可以深入理解Janus MSiGeN₄的基本行为，并为基于MA₂Z₄单层的未来理论和实验工作提供重要见解。

章节摘要

计算细节

DFT计算由Vienna从头算模拟程序包（VASP）[43]完成。选用广义梯度近似（GGA）[44]下的Perdew-Burke-Ernzerhof（PBE）泛函。能带截止设为700 eV，真空层厚度为35 ?。能量和力的收敛标准分别小于10^-7 eV和0.01 eV/?。结构弛豫采用15 × 15 × 1 k点网格。带隙通过HSE06泛函[45]计算。考虑了自旋极化。DFT-D3 [46]

结构稳定性

Janus MSiGeN₄单层具有P3m1空间群的六角晶格结构，沿z轴方向具有N-Si-N-M-N-Ge-N结构。图1(a)展示了MSiGeN₄的侧视图和原子标记。

图1(b)展示了Janus MSiGeN₄的E_coh。Janus MSiGeN₄的负E_coh表明其结构稳定性。Ti、Zr、Hf属于同一主族，MSiGeN₄（M=Ti、Zr、Hf）的E_coh随M原子金属性的降低而减小。MSiGeN₄（M=V、Nb、Ta）也是同样的情况。

结论

本文理论研究了MSiGeN₄（M=Cr、Hf、Mo、Nb、Ta、Ti、V、W和Zr）的力学、振动和压电性质。其在x方向的柔韧性随原子电负性的增加而逐渐减弱。所有Janus MSiGeN₄的泊松比都大于MoSi₂N₄。WSiGeN₄是最刚硬的。VSiGeN₄自旋向上态的m_e*和m_h*远小于自旋向下态的值，因此光生电子和光激空穴可以容易地迁移到

作者声明

董珊晶：调查研究、撰写——初稿

李小红：概念构思、指导、撰写——审阅与编辑

崔红玲：可视化

CRediT作者贡献声明

董珊晶：调查研究。李小红：撰写——审阅与编辑、指导、资源支持。崔红玲：可视化、验证。

利益冲突声明

作者声明不存在已知的可能影响本文所述工作的经济利益或人际关系。

作者声明以下财务利益/人际关系可能被视为潜在的利益冲突。

董珊晶|李小红|崔红玲

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