Nearly free electron states in MXenes

MXenes公司 材料科学 纳米技术
作者
Mohammad Khazaei,Ahmad Ranjbar,Mahdi Ghorbani‐Asl,M. Arai,Taizo Sasaki,Yunye Liang,Seiji Yunoki
出处
期刊:Physical review [American Physical Society]
卷期号:93 (20) 被引量:282
标识
DOI:10.1103/physrevb.93.205125
摘要

Using a set of first-principles calculations, we studied the electronic structures of two-dimensional transition metal carbides and nitrides, so called MXenes, functionalized with F, O, and OH. Our projected band structures and electron localization function analyses reveal the existence of nearly free electron (NFE) states in a variety of MXenes. The NFE states are spatially located just outside the atomic structure of MXenes and are extended parallel to the surfaces. Moreover, we found that the OH-terminated MXenes offer the NFE states energetically close to the Fermi level. In particular, the NFE states in some of the OH-terminated MXenes, such as $\mathrm{T}{\mathrm{i}}_{2}\mathrm{C}{(\mathrm{OH})}_{2},\mathrm{Z}{\mathrm{r}}_{2}\mathrm{C}{(\mathrm{OH})}_{2},\mathrm{Z}{\mathrm{r}}_{2}\mathrm{N}{(\mathrm{OH})}_{2},\mathrm{H}{\mathrm{f}}_{2}\mathrm{C}{(\mathrm{OH})}_{2},\mathrm{H}{\mathrm{f}}_{2}\mathrm{N}{(\mathrm{OH})}_{2},\mathrm{N}{\mathrm{b}}_{2}\mathrm{C}{(\mathrm{OH})}_{2}$, and $\mathrm{T}{\mathrm{a}}_{2}\mathrm{C}{(\mathrm{OH})}_{2}$, are partially occupied. This is in remarkable contrast to graphene, graphane, and $\mathrm{Mo}{\mathrm{S}}_{2}$, in which their NFE states are located far above the Fermi level and thus they are unoccupied. As a prototype of such systems, we investigated the electron transport properties of $\mathrm{H}{\mathrm{f}}_{2}\mathrm{C}{(\mathrm{OH})}_{2}$ and found that the NFE states in $\mathrm{H}{\mathrm{f}}_{2}\mathrm{C}{(\mathrm{OH})}_{2}$ provide almost perfect transmission channels without nuclear scattering for electron transport. Our results indicate that these systems might find applications in nanoelectronic devices. Our findings provide new insights into the unique electronic band structures of MXenes.
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