Valley-dependent properties of monolayer MoSi2N4, WSi2N4, and MoSi2As4

Berry连接和曲率 材料科学 布里渊区 Valleytronics公司 凝聚态物理 联轴节(管道) 单层 半导体 物理 自旋电子学 纳米技术 量子力学 铁磁性 几何相位 冶金
作者
Si Li,Weikang Wu,Xiaolong Feng,Shan Guan,Wanxiang Feng,Yugui Yao,Shengyuan A. Yang
出处
期刊:Physical review [American Physical Society]
卷期号:102 (23) 被引量:202
标识
DOI:10.1103/physrevb.102.235435
摘要

In a recent work, new two-dimensional materials, monolayer ${\mathrm{MoSi}}_{2}{\mathrm{N}}_{4}$ and ${\mathrm{WSi}}_{2}{\mathrm{N}}_{4}$, were successfully synthesized in experiment, and several other monolayer materials with a similar structure, such as ${\mathrm{MoSi}}_{2}{\mathrm{As}}_{4}$, were predicted [Hong et al., Science 369, 670 (2020)]. Here, based on first-principles calculations and theoretical analysis, we investigate the electronic and optical properties of monolayer ${\mathrm{MoSi}}_{2}{\mathrm{N}}_{4}, {\mathrm{WSi}}_{2}{\mathrm{N}}_{4}$, and ${\mathrm{MoSi}}_{2}{\mathrm{As}}_{4}$. We show that these materials are semiconductors, with a pair of Dirac-type valleys located at the corners of the hexagonal Brillouin zone. Due to the broken inversion symmetry and the effect of spin-orbit coupling, the valley fermions manifest spin-valley coupling, valley-contrasting Berry curvature, and valley-selective optical circular dichroism. We also construct the low-energy effective model for the valleys, calculate the spin Hall conductivity and the permittivity, and investigate the strain effect on the band structure. Our result reveals interesting valley physics in monolayer ${\mathrm{MoSi}}_{2}{\mathrm{N}}_{4}, {\mathrm{WSi}}_{2}{\mathrm{N}}_{4}$, and ${\mathrm{MoSi}}_{2}{\mathrm{As}}_{4}$, suggesting their great potential for valleytronics and spintronics applications.
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