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Two-dimensional MX2Y4 systems: ultrahigh carrier transport and excellent hydrogen evolution reaction performances

单层 材料科学 带隙 电子结构 纳米技术 物理化学 结晶学 化学 计算化学 光电子学
作者
Kai Ren,Huabing Shu,Ke Wang,Huasong Qin
出处
期刊:Physical Chemistry Chemical Physics [The Royal Society of Chemistry]
卷期号:25 (6): 4519-4527 被引量:19
标识
DOI:10.1039/d2cp04224j
摘要

Very recently, two-dimensional MoSi2N4 has been synthetized (Y.-L. Hong, Z. Liu, L. Wang, T. Zhou, W. Ma, C. Xu, S. Feng, L. Chen, M.-L. Chen and D.-M. Sun, Chemical vapor deposition of layered two-dimensional MoSi2N4 materials, Science, 2020, 369, 670-674.). In this work, we systematically explore the mechanical, electronic, and catalytic properties of the MX2Y4 (M = Cr, Hf, Mo, Ti, W, Zr; X = Si, Ge; Y = N, P, As) monolayers by first-principles calculations. These observed monolayers exhibit an isotropic Young's moduli of 165-514 N m-1 and a Poisson's ratio of 0.26-0.33. The calculated band structures indicate that their bandgaps are in the range of 0.49-2.05 eV at the HSE06 level. In particular, a high electron mobility of about 1.04 × 104 cm2 V-1 s-1 is observed in TiSi2N4 monolayers, which shows potential for high-speed electronic devices. MX2Y4 monolayers also reveal decent performances in the hydrogen evolution reaction. More importantly, the Gibbs free energy change of the TiSi2N4 (ZrSi2N4) monolayer is as small as 0.078 eV (-0.035 eV), even being comparable with that of Pt (-0.09 eV). This investigation suggests that the MoSi2N4 family monolayers have potential advanced applications such as photocatalytic, electrocatalytic, and photovoltaic devices.
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