Highly stable two-dimensional silicon phosphides: Different stoichiometries and exotic electronic properties

自旋电子学 化学计量学 材料科学 磷化物 基态 凝聚态物理 价(化学) 兴奋剂 电子结构 结晶学 物理 金属 原子物理学 物理化学 化学 铁磁性 量子力学 冶金
作者
Bing Huang,Houlong Zhuang,Mina Yoon,Bobby G. Sumpter,Su‐Huai Wei
出处
期刊:Physical Review B [American Physical Society]
卷期号:91 (12) 被引量:78
标识
DOI:10.1103/physrevb.91.121401
摘要

The discovery of stable two-dimensional, earth-abundant, semiconducting materials is of great interest and may impact future electronic technologies. By combining global structural prediction and first-principles calculations, we have theoretically discovered several semiconducting silicon phosphide $({\mathrm{Si}}_{x}{\mathrm{P}}_{y})$ monolayers, which could be formed stably at the stoichiometries of $y/x\ensuremath{\ge}1$. Interestingly, some of these compounds, i.e., $P\text{\ensuremath{-}}6m2\phantom{\rule{0.16em}{0ex}}{\mathrm{Si}}_{1}{\mathrm{P}}_{1}$ and $Pm\phantom{\rule{0.16em}{0ex}}{\mathrm{Si}}_{1}{\mathrm{P}}_{2}$, have comparable or even lower formation enthalpies than their known allotropes. The band gaps $({E}_{g})$ of ${\mathrm{Si}}_{x}{\mathrm{P}}_{y}$ compounds can be dramatically tuned in an extremely wide range ($0<{E}_{g}<3$ eV) by simply changing the number of layers. Moreover, we find that carrier doping can drive the ground state of $C2/m\phantom{\rule{0.16em}{0ex}}{\mathrm{Si}}_{1}{\mathrm{P}}_{3}$ from a nonmagnetic state into a robust half-metallic spin-polarized state, originating from its unique valence band structure, which can extend the use of Si-related compounds for spintronics.
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