Exploring a novel class of Janus MXenes by first principles calculations: structural, electronic and magnetic properties of Sc2CXT, X = O, F, OH; T = C, S, N

MXenes公司 自旋电子学 杰纳斯 磁矩 凝聚态物理 材料科学 反铁磁性 基态 铁磁性 密度泛函理论 带隙 结晶学 纳米技术 化学 物理 光电子学 计算化学 原子物理学
作者
Sibel Özcan,Blanca Biel
出处
期刊:Physical Chemistry Chemical Physics [Royal Society of Chemistry]
卷期号:25 (3): 1881-1888 被引量:5
标识
DOI:10.1039/d2cp04713f
摘要

The already intriguing electronic and optical properties of the MXene Sc2C family can be further tuned through a wide range of possible functionalizations. Here, by means of density functional theory, we show that the 36 possible elements of the Janus MXT (M: Sc2C, X: O, F, OH, T: C, N, S) family, built by considering the four possible structural models (i) FCC, (ii) HCP, (iii) FCC + HCP, and (iv) HCP + FCC, are all potentially stable. The analysis of their mechanical properties shows the excellent mechanical flexibility of functionalized MXenes (f-MXenes) under large strain, making them more suitable for applications where stress could be an issue. Interestingly, while Sc2C presents a metallic character, Sc2COS, Sc2CFN and Sc2COHN are found to be semiconductors with bandgaps of 2.5 eV (indirect), 1.67 eV (indirect) and 1.1 eV (direct), respectively, which presents promising applications for nano- and optoelectronics. Moreover, Sc2CFC presents a ferromagnetic ground state with the 2 × 2 × 1 supercell magnetic moment of 3.99 μB, while the ground state of Sc2COHC might be antiferromagnetic with a magnetic moment of 3.98 μB, depending on the environment. Remarkably, the band structures of Sc2CFC and Sc2COHC present a half-metallic character with an HSE06 fundamental band gap of 0.60 eV and 0.48 eV, respectively. Our results confirm the extraordinary potential of the Janus MXT (M: Sc2C, X: O, F, OH, T: C, N, S) family for novel applications in 2D nano-,opto- and spintronics.

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