First-principles prediction of high carrier mobility for β-phase MX2N4 (M = Mo, W; X = Si, Ge) monolayers

单层 相(物质) 材料科学 计算机科学 化学 纳米技术 有机化学
作者
Yi Peng,Hongyan Tian,Mingjia Yao,Xuli Li,Xinyi Tang,Ju Jiao,Qianqian Zhu,Juexian Cao
出处
期刊:Scientific Reports [Springer Nature]
卷期号:14 (1): 22548-22548 被引量:3
标识
DOI:10.1038/s41598-024-74256-0
摘要

The recently synthesized monolayer MoSi2N4 (Science 2020, 369, 367) exhibits exceptional environmental stability, a moderate band gap, and excellent mechanical properties, presenting exciting opportunities for the exploration of two-dimensional (2D) MX2Z4 materials. However, the low carrier mobility of α-phase MoSi2N4 significantly limits its potential applications in field-effect transistor (FET) devices. In this study, we systematically investigate the structural stability, elastic properties, and carrier mobility of a novel family of β-phase MX2N4 (M = Mo, W; X = Si, Ge) monolayers through first-principles calculations. Our findings reveal that these β-phase MX2N4 monolayers demonstrate remarkable dynamic, thermal, and mechanical stability. Specifically, we identify the MoSi2N4, MoGe2N4, WSi2N4, and WGe2N4 monolayers as semiconductors with band gaps of 2.70 eV, 1.57 eV, 3.12 eV, and 1.93 eV, respectively, as calculated using the HSE06 functional. Moreover, the MX2N4 monolayers exhibit significant elastic anisotropy, characterized by high ideal tensile strengths and a critical tensile strain exceeding 25%. Notably, the WGe2N4 monolayer displays exceptional anisotropic in-plane charge transport, achieving mobility levels of up to 104 cm2V- 1S- 1, surpassing those of the α-phase MX2N4 monolayers. These novel ternary monolayer structures have the potential to broaden the 2D MX2Z4 material family and emerge as promising candidates for applications in field-effect transistors.
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