High-throughput predictions of two-dimensional dielectrics with first-principles calculations

电介质 电负性 材料科学 高-κ电介质 平面(几何) 单层 凝聚态物理 物理 结晶学 纳米技术 光电子学 化学 量子力学 几何学 数学
作者
Gege Du,Chunhui Li,Lei Shan,Long Cheng
出处
期刊:Physical review 卷期号:108 (23)
标识
DOI:10.1103/physrevb.108.235409
摘要

Two-dimensional (2D) dielectrics play a crucial role in the miniaturization of transistors. An optimal 2D dielectric should have a significant out-of-plane dielectric constant and appropriate band alignments to achieve superior performance. However, 2D materials generally exhibit poor out-of-plane dielectric constant. In this paper, we have identified 11 2D materials from the Computational 2D Materials Database with out-of-plane dielectric constants above 5.0, surpassing those of conventional dielectrics, i.e., ${\mathrm{SiO}}_{2}, {\mathrm{Al}}_{2}{\mathrm{O}}_{3}$, and BN. The band alignments show that ten monolayers ${\mathrm{SnNa}}_{2}{\mathrm{H}}_{6}{\mathrm{O}}_{6}, {\mathrm{GeLi}}_{2}{\mathrm{H}}_{6}{\mathrm{O}}_{6}, {\mathrm{HfNa}}_{2}{\mathrm{H}}_{6}{\mathrm{O}}_{6}, {\mathrm{ZrNa}}_{2}{\mathrm{H}}_{6}{\mathrm{O}}_{6}$, etc., are promising dielectrics when monolayer ${\mathrm{MoS}}_{2}/{\mathrm{WS}}_{2}$ serves as the channel. Moreover, four dielectrics have an out-of-plane dielectric constant that outperforms in-plane. This unusual feature indicates a stronger out-of-plane bond strength, resulting from the ionic bonds. We further provide a general guideline for quickly discovering high-performance dielectrics using structures and electronegativity tables.
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