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An ab initio study of two-dimensional anisotropic monolayers ScXY (X = S and Se; Y = Cl and Br) for photocatalytic water splitting applications with high carrier mobilities

光催化 从头算 单层 半导体 带隙 电子迁移率 各向异性 直接和间接带隙 材料科学 化学 凝聚态物理 化学物理 纳米技术 光电子学 光学 物理 有机化学 催化作用 生物化学
作者
Fei-Yang Xu,Yu Zhou,Tian Zhang,Zhao-Yi Zeng,Xiang-Rong Chen,Hua-Yun Geng
出处
期刊:Physical Chemistry Chemical Physics [The Royal Society of Chemistry]
卷期号:24 (6): 3770-3779 被引量:15
标识
DOI:10.1039/d1cp05369h
摘要

Recently, metal oxyhalides have been broadly studied due to their hierarchical structures and promising functionalities. Herein, a thorough study of newly modeled monolayers ScXY (X = S and Se; Y = Cl and Br), a class of derivates of ScOBr monolayers, was conducted using first-principles calculations. We theoretically confirm that these ScXY monolayers are mechanically, dynamically, and thermally stable. Young's modulus and Poisson's ratio calculated for all these ScXY monolayers obviously exhibit anisotropic properties. All these monolayers are indirect-gap semiconductors with bandgaps in the range of 2.35-3.18 eV, and their conduction band minimum (CBM) and valence band maximum (VBM) can straddle the reduction and oxidation potential of water very well, respectively. Particularly, ScSeCl and ScSeBr monolayers have the most propitious bandgaps and band alignments to be used as promising photocatalysts, and the predicted carrier mobility is much larger than that of many other two-dimensional materials. Moreover, the predicted anisotropic carrier mobilities and indirect bandgaps will diminish the recombination and facilitate the migration of photo-generated electron and hole pairs. Moreover, biaxial strain (-5% to 5%) effects on the band alignments and bandgaps are discussed. Our findings highlight that ScSeCl and ScSeBr monolayers are envisioned to act as promising photocatalytic and photoelectronic materials with anisotropic ultrahigh carrier mobilities.

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