面向先进二维器件技术的Janus Rb?Li?SSe单层的光电子、力学和压电特性

《Physica B: Condensed Matter》：Optoelectronic, mechanical and piezoelectric behavior of Janus Rb2Li2SSe monolayer toward advanced 2D device technologies

　　

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  第一性原理计算揭示了一种稳定的Janus Rb₂Li₂SSe单层，其面内几何结构接近正方形。
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  该单层兼具直接带隙特性和强烈的可见-紫外吸收能力。
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  反演对称性的破缺诱导了内禀极性和有限的压电效应。
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  剪切变形主导了Janus体系的机电响应。
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  应变驱动的极化反转为自适应纳米电子学提供了机遇。

引言

低维材料已成为探索新型物理特性和器件应用的重要平台。其中，二维（2D）Janus材料作为一种独特的体系类别而备受关注，其面外镜面对称性被破缺，从而产生内禀极性和内建电场。这种结构不对称性赋予了Rashba自旋分裂、压电效应以及可调的电子和光学响应等非常规性质，而这些性质在对称的二维材料中是不存在的，使得Janus单层在纳米电子、光电子及能源相关应用中极具吸引力[1]、[2]、[3]、[4]。已有若干研究对二维Janus材料进行了探索，并证明了面外对称性破缺对其物理性质的影响。Li等人综述了Janus过渡金属二卤化物，从理论和实验两方面表明，结构不对称性会诱导内禀极性、Rashba自旋分裂和压电极化，同时证实了Janus MoSSe和WSSe单层的稳定性[5]。Ng等人展示了基于石墨烯的Janus材料中不对称表面功能化能够实现带隙工程并诱导新型电子和机电性质[6]。Tang和Kou强调了Janus TMDs中的内建电场能够增强电荷分离、诱导Rashba自旋-轨道耦合，并与对称对应物相比提升了光电和催化性能[7]。此外，Yagmurcukardes等人总结了二维Janus晶体的量子性质，着重指出了由结构不对称性驱动的强自旋分裂、长激子寿命和可调电子性质[4]。

除了内禀性质之外，近期的研究还强调了Janus单层中机械和机电响应的重要性。特别是，若干工作已证明，Janus结构由于缺乏反演对称性而表现出有限的压电效应，这与中心对称的二维材料形成了对比[5]、[6]、[7]、[8]。此外，二维Janus体系的弹性性质在决定其机械稳定性和柔韧性方面发挥着关键作用，而这两者对于实际器件集成至关重要[8]、[9]。

应变工程也被证明是调控Janus材料物理性质的有力手段。先前的研究报告表明，施加外部应变可以显著改变电子结构、增强压电系数，甚至在Janus单层中诱导极化反转[10]、[11]、[12]。例如，Feng Li等人报告称，Janus单层由于反演对称性的破缺而表现出内禀压电效应，且应变工程可以有效调控其电子和压电性质，甚至诱导极化反转；而Quan Shen等人则证明，应变工程可以通过破缺对称性来有效调控Janus单层的物理性质，从而诱导压电和谷相关的响应[10]、[11]。这些发现凸显了Janus结构中晶格形变与电荷重新分布之间的强耦合，并强调了研究应变依赖的弹性和压电性质的重要性。

受上述研究的启发，将Janus概念扩展到碱金属基层状化合物具有重要意义。Güler等人近期对块体和单层RbLiS和RbLiSe的第一性原理研究表明，这些材料是动力学稳定的半导体，具有优良的电子、光学、声子和热电性质[13]。然而，这些工作局限于对称结构，并未涉及面外对称性破缺的影响。鉴于已报道的Janus二维材料的诸多优势，如内禀极性、内建电场、Rashba自旋分裂以及增强的功能响应，构建Janus ${\mathrm{Rb}}_2{\mathrm{Li}}_2\mathrm{SSe}$单层预计将显著改变母体化合物的电子结构、晶格动力学和物理性质。

目前，我们对二维Janus ${\mathrm{Rb}}_2{\mathrm{Li}}_2\mathrm{SSe}$单层的电子、光学、弹性和压电性质的认识仍然有限。特别是，应变对该体系弹性和压电响应的影响尚未得到系统研究。本文旨在通过能带结构、态密度和光学响应计算来研究Janus ${\mathrm{Rb}}_2{\mathrm{Li}}_2\mathrm{SSe}$的电子和光电性质。此外，还在无应变和有应变两种条件下分析了弹性和压电性质，以阐明应变诱导的机械和机电行为的调制。计算细节见第2节，结果在第3节中呈现和讨论，主要结论在第4节中总结。

章节摘要

方法与计算细节

所有计算均在密度泛函理论（DFT）框架下进行[14]、[15]。使用维也纳第一性原理模拟程序（VASP）中实现的平面波赝势方法研究了Janus ${\mathrm{Rb}}_2{\mathrm{Li}}_2\mathrm{SSe}$单层的结构优化以及电子、光学、弹性和压电性质[16]、[17]。交换相关相互作用采用Perdew-Burke框架下的广义梯度近似（GGA）来描述

结构性质与稳定性

块体化合物RbLiX（其中X = S, Se）近期因其层状晶体结构和在低维应用中的前景而备受关注。这些材料呈四方晶系结构，可通过机械剥离获得稳定的单层形式。先前的理论研究已证明，块体和单层RbLiS与RbLiSe化合物均表现出半导体行为并具有良好的动力学稳定性，

结论

本文利用第一性原理计算系统地研究了Janus ${\mathrm{Rb}}_2{\mathrm{Li}}_2\mathrm{SSe}$单层的结构、电子、光学、弹性和压电性质。所得结果证实该体系是稳定的，并具有直接带隙半导体特性，表明其在光电应用中具有潜力。

电子结构分析揭示了组成原子之间显著的轨道杂化，同时电荷密度分布

CRediT作者贡献声明

Nassima Guechi：撰写 – 原始草稿，方法论，调查研究，概念构思。Saliha Karfaf：撰写 – 审阅与编辑。Souhir Fnides：可视化。Kamel Zanat：撰写 – 审阅与编辑。Badis Bennecer：方法论。

未引用参考文献

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利益冲突声明

作者声明不存在任何可能影响本文所报告工作的已知竞争性经济利益或个人关系。

致谢

作者谨向已故Badis Bennecer教授致以最诚挚的感谢，感谢其 invaluable 的指导、支持和科学见解。他对本工作的贡献和奉献精神将永铭于心。

Nassima Guechi|Saliha Karfaf|Souhir Fnides|Kamel Zanat|Badis Bennecer