Monolayer ThSi2N4: An indirect-gap semiconductor with ultra-high carrier mobility

单层 镧系元素 结晶学 材料科学 物理 纳米技术 化学 离子 量子力学
作者
Cheng Lü,Chuyan Cui,Jingning Zuo,Hongxia Zhong,Shi He,Wei Dai,Xin Zhong
出处
期刊:Physical review [American Physical Society]
卷期号:108 (20) 被引量:43
标识
DOI:10.1103/physrevb.108.205427
摘要

The recently synthesized ${\mathrm{MoSi}}_{2}{\mathrm{N}}_{4}$ monolayer [Science 369, 670 (2020)] exhibit outstanding environmental stability, moderate band gap, and excellent mechanical properties, which opens up a new avenue for the explorations of two-dimensional (2D) ${\mathrm{MA}}_{2}{\mathrm{Z}}_{4}$ materials. Inspired by this finding, we perform comprehensive structural predictions of ${\mathrm{MSi}}_{2}{\mathrm{N}}_{4}$ monolayers with lanthanide and actinide metals at the M site. Using the CALYPSO structural search method and first-principles calculations, we identify seven ${\mathrm{MSi}}_{2}{\mathrm{N}}_{4}$ monolayers with robust ambient stabilities, four of which are metals (M = Tm, Lu, Pa, Np) and three are semiconductors (M = Ce, Th, U). Of particular interest is the ${\mathrm{ThSi}}_{2}{\mathrm{N}}_{4}$ monolayer, which is an indirect-gap semiconductor with ultra-high electron mobility of 14384 ${\mathrm{cm}}^{2}\phantom{\rule{0.28em}{0ex}}{\mathrm{V}}^{\ensuremath{-}1}\phantom{\rule{0.28em}{0ex}}{\mathrm{s}}^{\ensuremath{-}1}$. Our results enrich the 2D ${\mathrm{MA}}_{2}{\mathrm{Z}}_{4}$ family and offer insights into the design and synthesis of novel multifunctional materials.
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