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Structural, electronic, and photocatalytic water splitting in two-dimensional monolayer MNXY(M/N=Al,Ga,X/Y=N,P,As) semiconductors: A first-principles perspective

单层 分解水 材料科学 半导体 带隙 光催化分解水 光催化 物理 结晶学 凝聚态物理 纳米技术 光电子学 化学 生物化学 催化作用
作者
Y. Liu,Tinghong Gao,Guolin Qian,Xinzhu Tan,Songli Dai,Yue Gao,Lianxin Li,Quan Xie,Qian Chen,J Wang
出处
期刊:Physical review [American Physical Society]
卷期号:108 (24) 被引量:14
标识
DOI:10.1103/physrevb.108.245424
摘要

The exploration of novel and stable two-dimensional (2D) materials holds considerable significance in the development of optoelectronic devices and photocatalytic water splitting. Herein, $\mathit{MNXY}(M\text{/}N=\mathrm{Al},\mathrm{Ga},X\text{/}Y=\mathrm{N},\mathrm{P},\text{As})$ monolayers are constructed based on 2D double-layer honeycomb structures. Six stable semiconductor types were screened through first-principles calculations, and their mechanical, electrical, optical, and transport properties as well as their applications in photocatalytic water splitting were investigated. We found that the six stabilized MNXY monolayers had band gaps of 0.846--3.806 eV. The mechanical properties indicate that ${\mathrm{AlGaN}}_{2}$ has a Young's modulus exceeding 100 N/m, whereas the remaining five monolayers exhibit values below this threshold. The hole carrier mobility of the ${\mathrm{AlGaN}}_{2}$ monolayer along the armchair direction reaches an ultrahigh value of 3649.21 ${\mathrm{cm}}^{2}\phantom{\rule{0.16em}{0ex}}{\mathrm{V}}^{\ensuremath{-}1}\phantom{\rule{0.16em}{0ex}}{\mathrm{s}}^{\ensuremath{-}1}$; thus it has the potential for application in optoelectronic devices. Furthermore, we observed that ${\mathrm{AlGaP}}_{2}$ monolayers exhibit band-edge potentials spanning the redox potential of water, a considerable difference in electron-hole carrier mobility, strong visible light absorption, and a high solar to hydrogen efficiency (17.51%) in the absence of strain, making them suitable for photocatalytic water splitting. We expect that our results will pave the way forward for material selection for next-generation optoelectronic devices and photocatalysts.
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