Sliding-reversible bandgap modulation in irreversible asymmetric multilayers

铁电性 材料科学 单层 带隙 光电子学 半导体 挠曲电 极化(电化学) 硅烯 杰纳斯 调制(音乐) 纳米技术 液晶 化学 电介质 物理 物理化学 声学
作者
Changming Ke,Yudi Yang,Zhuang Qian,Shi Liu
出处
期刊:Applied Physics Letters [American Institute of Physics]
卷期号:125 (12)
标识
DOI:10.1063/5.0232473
摘要

The electronic bandgap of a material is often fixed after fabrication. The capability to realize on-demand and nonvolatile control over the bandgap will unlock exciting opportunities for adaptive devices with enhanced functionalities and efficiency. We introduce a general design principle for on-demand and nonvolatile control of bandgap values, which utilizes reversible sliding-induced polarization driven by an external electric field to modulate the irreversible background polarization in asymmetric two-dimensional (2D) multilayers. The structural asymmetry can be conveniently achieved in homobilayers of Janus monolayers and heterobilayers of nonpolar monolayers, making the design principle applicable to a broad range of 2D materials. We demonstrate the versatility of this design principle using experimentally synthesized Janus metal dichalcogenide multilayers as examples. Our first-principles calculations show that the bandgap modulation can reach up to 0.3 eV and even support a semimetal-to-semiconductor transition. By integrating a ferroelectric monolayer represented by 1T″′-MoS2 into a bilayer, we show that the combination of intrinsic ferroelectricity and sliding ferroelectricity leads to multi-bandgap systems coupled to multi-step polarization switching. The sliding-reversible bandgap modulation offers an avenue to dynamically adjust the optical, thermal, and electronic properties of 2D materials through mechanical and electrical stimuli.
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