Tunable type-II band alignment and electronic structure of C3N4/MoSi2N4 heterostructure: Interlayer coupling and electric field

材料科学 类型(生物学) 物理 联轴节(管道) 带隙 范德瓦尔斯力 电子结构 结晶学 能量(信号处理) 凝聚态物理 量子力学 分子 化学 生态学 生物 冶金
作者
Cuong Q. Nguyen,Yee Sin Ang,Son‐Tung Nguyen,Nguyen Van Hoang,Nguyễn Mạnh Hùng,Chuong V. Nguyen
出处
期刊:Physical review [American Physical Society]
卷期号:105 (4) 被引量:109
标识
DOI:10.1103/physrevb.105.045303
摘要

In this work, we perform a first-principle study to investigate the atomic and electronic structures of the ${\mathrm{C}}_{3}{\mathrm{N}}_{4}/{\mathrm{MoSi}}_{2}{\mathrm{N}}_{4}$ van der Waals heterostructure (vdWH) as well as its tunable electronic structure via interlayer coupling and an external perpendicular electric field. The ${\mathrm{C}}_{3}{\mathrm{N}}_{4}/{\mathrm{MoSi}}_{2}{\mathrm{N}}_{4}$ vdWH is structurally and thermodynamically stable at room temperature. Our results demonstrate that the ${\mathrm{C}}_{3}{\mathrm{N}}_{4}/{\mathrm{MoSi}}_{2}{\mathrm{N}}_{4}$ vdWH exhibits a semiconducting characteristic with a direct band gap of 1.86/2.66 eV as given by the PBE/HSE06 calculation. This value of band gap conveniently lies in the visible light energy range, thus unraveling the strong optical absorption of ${\mathrm{C}}_{3}{\mathrm{N}}_{4}/{\mathrm{MoSi}}_{2}{\mathrm{N}}_{4}$ vdWH in the technologically important visible light regime. The band edges of the ${\mathrm{C}}_{3}{\mathrm{N}}_{4}/{\mathrm{MoSi}}_{2}{\mathrm{N}}_{4}$ vdWH separately from the ${\mathrm{C}}_{3}{\mathrm{N}}_{4}$ and ${\mathrm{MoSi}}_{2}{\mathrm{N}}_{4}$ layers, thus resulting in a type-II band alignment, which is highly desirable for achieving efficient electron-hole separation. Remarkably, the electronic structure and the band alignment types can be flexibly tuned between type-I and type-II by applying an external electric field, by changing the interlayer distance and by applying the in-plane strain. Our findings reveal the potential of ${\mathrm{C}}_{3}{\mathrm{N}}_{4}/{\mathrm{MoSi}}_{2}{\mathrm{N}}_{4}$ vdWH as a tunable hybrid material with strong potential in optoelectronic applications.
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