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Raman activities and high electron mobility of piezoelectric semiconductors GaSi$X_2$ ($X$ = N, P, and As) toward flexible nanoelectronic devices

半导体 材料科学 压电 拉曼光谱 光电子学 电子迁移率 电子 工程物理 物理 复合材料 光学 量子力学
作者
Tuan V. Vu,Thi Hiep Nguyen,Vo T.T.,Huynh V. Phuc,A. I. Kartamyshev,Nguyen N. Hieu
出处
期刊:Journal of Physics D [Institute of Physics]
标识
DOI:10.1088/1361-6463/ada3df
摘要

Abstract Inspired by the urgent demand for novel multifunctional materials in advanced technology applications, herein, first-principles calculations are utilized to construct new two-dimensional GaSi$X_2$ ($X$ = N, P, As) monolayers. After optimizing the GaSi$X_2$ crystal structures, their stabilities, Raman responses, piezoelectricity, and electronic/transport characteristics are systematically studied. The results from phonon dispersions, {\it ab initio} molecular dynamics simulations, elastic constants, and cohesive energies confirm the good dynamic, thermal, energetic, and mechanical stabilities of the proposed GaSi$X_2$ monolayers. Based on the Heyd--Scuseria--Ernzerhof approach, the GaSi$X_2$ exhibit semiconductor behaviors with favorable bandgaps for absorption of the visible spectrum of 1.82 for GaSiP$_2$ and 1.43 eV for GaSiAs$_2$ monolayer. Besides, the GaSi$X_2$ monolayers also show piezoelectric effects, the high in-plane piezoelectric coefficients $d_{11}$ are found for the GaSiP$_2$ ($-1.16$ pm/V) and GaSiAs$_2$ ($-1.26$ pm/V). The carrier mobilities of the GaSi$X_2$ are estimated by the deformation potential method for their transport properties. Along two in-plane transport directions, the carrier mobilities of the GaSi$X_2$ are anisotropy for holes and electrons. The GaSiP$_2$ and GaSiAs$_2$ show large electron mobilities in the $x$ axis of 2816.99 and 1211.41~cm$^2$V$^{-1}$s$^{-1}$, respectively. Thus, the GaSiP$_2$ and GaSiAs$_2$ monolayers have not only high and anisotropic electron mobilities but also favorable bandgaps and large piezoelectric coefficients, indicating potential applications of the GaSiP$_2$ and GaSiAs$_2$ in electronic, photovoltaic, and piezoelectric devices. The findings in this study may provide insights into the GaSi$X_2$ monolayers for multifunctional applications.

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