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Janus MoAZ3H (A = Ge, Si; Z = N, P, As) monolayers: a new class of semiconductors exhibiting excellent photovoltaic and catalytic performances
Physical Chemistry Chemical Physics ( IF 2.9 ) Pub Date : 2023-09-19 , DOI: 10.1039/d3cp02622a
Xiaolin Cai 1 , Guoxing Chen 1 , Rui Li 1 , Weiyang Yu 1 , Xuefeng Yang 1 , Yu Jia 2, 3
Physical Chemistry Chemical Physics ( IF 2.9 ) Pub Date : 2023-09-19 , DOI: 10.1039/d3cp02622a
Xiaolin Cai 1 , Guoxing Chen 1 , Rui Li 1 , Weiyang Yu 1 , Xuefeng Yang 1 , Yu Jia 2, 3
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Due to the asymmetrical structure in the vertical direction, Janus two-dimensional (2D) monolayer (ML) materials possess some unique physical properties, holding great promise for nanoscale devices. In this paper, based on the newly discovered MoA2Z4 (A = Si, Ge; Z = N, P, As) ML, we propose a class of 2D Janus MoAZ3H ML materials with good stability and excellent mechanical properties using first-principles calculations. We demonstrate that the novel Janus MoAZ3H ML materials are all semiconductors with bandgaps ranging from 0.69 to 2.44 eV, giving rise to good absorption in the visible light region. Especially, both MoSiN3H and MoGeN3H MLs can be used as catalysts for producing hydrogen through water splitting. This catalytic property is much more efficient than that of the MoA2Z4 ML, attributed to the intrinsic electric field induced by the vertical asymmetry effectively separating electrons and holes. More importantly, the carrier mobility of the MoAZ3H ML is up to 103–104 cm2 V−1 s−1 due to the large elastic modulus or small effective mass. Additionally, the electronic properties of the MoAZ3H ML can be easily tuned by strain. Our results suggest a new strategy for designing novel 2D Janus materials, which not only expands the members in the 2D MA2Z4-based Janus family, but also provide candidates with excellent performances in photovoltaic and catalytic fields.
中文翻译：
Janus MoAZ3H（A = Ge、Si；Z = N、P、As）单层：一类新型半导体，具有优异的光伏和催化性能
由于垂直方向的不对称结构，Janus 二维（2D）单层（ML）材料具有一些独特的物理性质，在纳米级器件方面具有广阔的前景。在本文中，基于新发现的MoA 2 Z 4 (A = Si, Ge; Z = N, P, As) ML，我们提出了一类具有良好稳定性和优异机械性能的2D Janus MoAZ 3 H ML材料第一性原理计算。我们证明，新型 Janus MoAZ 3 H ML 材料都是带隙范围为 0.69 至 2.44 eV 的半导体，在可见光区域具有良好的吸收。特别是，MoSiN 3 H和MoGeN 3 H ML都可以用作通过水分解生产氢气的催化剂。这种催化性能比 MoA 2 Z 4 ML 的催化性能要高效得多，这归因于垂直不对称性产生的本征电场有效地分离了电子和空穴。更重要的是，由于弹性模量大或有效质量小，MoAZ 3 H ML的载流子迁移率高达10 3 –10 4 cm 2 V -1 s -1 。此外，MoAZ 3 H ML 的电子特性可以通过应变轻松调节。我们的结果提出了一种设计新型 2D Janus 材料的新策略，它不仅扩展了基于 2D MA 2 Z 4的 Janus 家族的成员，而且还为候选材料提供了在光伏和催化领域的优异性能。
更新日期：2023-09-19
中文翻译：
Janus MoAZ3H（A = Ge、Si；Z = N、P、As）单层：一类新型半导体，具有优异的光伏和催化性能
由于垂直方向的不对称结构，Janus 二维（2D）单层（ML）材料具有一些独特的物理性质，在纳米级器件方面具有广阔的前景。在本文中，基于新发现的MoA 2 Z 4 (A = Si, Ge; Z = N, P, As) ML，我们提出了一类具有良好稳定性和优异机械性能的2D Janus MoAZ 3 H ML材料第一性原理计算。我们证明，新型 Janus MoAZ 3 H ML 材料都是带隙范围为 0.69 至 2.44 eV 的半导体，在可见光区域具有良好的吸收。特别是，MoSiN 3 H和MoGeN 3 H ML都可以用作通过水分解生产氢气的催化剂。这种催化性能比 MoA 2 Z 4 ML 的催化性能要高效得多，这归因于垂直不对称性产生的本征电场有效地分离了电子和空穴。更重要的是，由于弹性模量大或有效质量小，MoAZ 3 H ML的载流子迁移率高达10 3 –10 4 cm 2 V -1 s -1 。此外，MoAZ 3 H ML 的电子特性可以通过应变轻松调节。我们的结果提出了一种设计新型 2D Janus 材料的新策略，它不仅扩展了基于 2D MA 2 Z 4的 Janus 家族的成员，而且还为候选材料提供了在光伏和催化领域的优异性能。
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