Single-Layer BI: A Multifunctional Semiconductor with Ferroelectricity, Ultrahigh Carrier Mobility, and Negative Poisson’s Ratio

铁电性 材料科学 凝聚态物理 半导体 纳米尺度 电子迁移率 带隙 纳米技术 光电子学 物理 电介质
作者
Shiying Shen,Qian Wu,Yan Liang,Baibiao Huang,Ying Dai,Yandong Ma
出处
期刊:Physical review applied [American Physical Society]
卷期号:15 (1) 被引量:2
标识
DOI:10.1103/physrevapplied.15.014027
摘要

Developing two-dimensional multifunctional materials is highly desirable for nanoscale device applications. Herein, by means of first-principles calculations, we demonstrate a promising two-dimensional multifunctional semiconductor with ferroelectricity, ultrahigh carrier mobility, and negative Poisson's ratio in single-layer $\mathrm{BI}$. We show that single-layer $\mathrm{BI}$ exhibits intrinsic ferroelectricity, derived from its asymmetric structure, and the ferroelectricity features an in-plane electric polarization as large as $3.3\ifmmode\times\else\texttimes\fi{}{10}^{\ensuremath{-}10}{\mathrm{C}}_{{\mathrm{m}}^{\ensuremath{-}1}}$, which is beneficial for nonvolatile memories. Owing to its large band dispersion, single-layer $\mathrm{BI}$ is also found to harbor an extremely high carrier mobility ($1.17\ifmmode\times\else\texttimes\fi{}{10}^{5}\phantom{\rule{0.1em}{0ex}}\mathrm{c}{\mathrm{m}}^{2}{\mathrm{V}}^{\ensuremath{-}1}{\mathrm{s}}^{\ensuremath{-}1}$), even comparable to that of graphene, suggesting its potential for high-performance electronics and bulk photovoltaic effect. This, combined with the moderate band gap, renders single-layer $\mathrm{BI}$ with a high absorption coefficient (${10}^{5}\mathrm{cm}{\mathrm{m}}_{\ensuremath{-}1}$) from near-infrared to ultraviolet light. In addition, we unveil that single-layer $\mathrm{BI}$ is a long-sought-after auxetic material with a negative Poisson's ratio of \ensuremath{-}0.31. All of these findings make single-layer $\mathrm{BI}$ a compelling multifunctional material, offering a versatile platform for diverse nanoscale devices applications.

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