Sliding ferroelectricity and alterpiezoelectricity in a two-dimensional heterobilayer from the in-plane hole of g-C3N4

铁电性 范德瓦尔斯力 堆积 凝聚态物理 极化(电化学) 平面(几何) 材料科学 结晶学 化学 物理 光电子学 几何学 量子力学 核磁共振 数学 电介质 分子 物理化学
作者
Yuhua Wei,Feng Gao,Xuli Cheng,Haotian Wang,Yingjie Hu,Zhi‐Yuan Hu,Hui Zhang,Jin Wen,Yin Wang,Wei Ren
出处
期刊:Physical Chemistry Chemical Physics [Royal Society of Chemistry]
卷期号:27 (35): 18770-18777
标识
DOI:10.1039/d5cp02635k
摘要

It is well known that two-dimensional (2D) van der Waals (vdW) heterobilayers may undergo symmetry breaking in some specific stacking configurations, thus presenting three states (AA, AB, BA) with different out-of-plane (OOP) polarization, which is electrically switchable via interlayer sliding. Here, we find that in two vdW heterobilayers (S-g-C3N4/graphene and T-g-C3N4/graphene) formed by a g-C3N4 (S-g-C3N4 and T-g-C3N4) monolayer and graphene monolayer, interlayer sliding can not only switch the OOP polarization, but also change the in-plane (IP) piezoelectric properties of the T-g-C3N4/graphene heterobilayer, between positive and negative piezoelectricity, which we call alterpiezoelectricity. We show first-principles evidence that the strong charge transfer of graphene contributes to the charge redistribution in graphene induced by the in-plane holes of g-C3N4, so that stacking configurations with different piezoelectric properties appear in the switching process of interlayer sliding. In addition, we discover that for T-g-C3N4/graphene with alterpiezoelectric properties, the IP piezoelectric coefficient and band gap of different stacking configurations show opposite linear changes. The 2D heterobilayer ferroelectrics with unusual alterpiezoelectric characteristics will be ideal materials for realizing extraordinary piezoelectric electronic devices.
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