Theoretical design of 2D Pca21 SiNOX (X = H, F, and Cl) phases: a new family of flexible wide bandgap semiconductors

带隙 半导体 材料科学 光电子学 纳米技术
作者
Heng Zhang,Jiahao Yu,Sylvain Pitié,Frédéric Guégan,Junjie Wang,Gilles Frapper
出处
期刊:Nanoscale [Royal Society of Chemistry]
卷期号:17 (11): 6874-6883
标识
DOI:10.1039/d4nr04789c
摘要

By first-principles calculations, a new family of two-dimensional (2D) Pca21 SiNOX (X = H, F, and Cl) phases were rationally designed by theoretical exfoliation of bulk layered α-LiSiON compounds, taking advantage of the in- and out-of-plane bonding anisotropy of the bulk parental compound. It is found that 2D Pca21 SiNOX phases have wide direct and quasi-direct bandgaps of 4.99-6.33 eV using the HSE06 functional with good thermodynamic, mechanical, dynamic, and thermal stabilities. In addition, the flexibility of 2D Pca21 SiNOX structures was evidenced with moderate in-plane Young's moduli of 133.27-141.87 N m-1, ideal strength of 6.06-6.56 N m-1, and out-of-plane bending strength of 1.41-1.57 eV. What is more, the stronger anharmonicity of 2D Pca21 SiNOH leads to lower lattice thermal conductivities, in comparison with 2D Pca21 SiNOF and SiNOCl. Finally, isovalent elemental substitutions are adopted to tune the bandgaps of 2D Pca21 SiNOX phases within the range of 0.54-6.64 eV with the HSE06 functional and ten wide bandgap semiconductors (2D Pca21 CNOH, GeNOH, CNOF, GeNOF, CNOCl, SiNOCl, GeNOCl, SiPOCl, SiNSH, and SiNSeH) were unveiled with bandgaps larger than 3.5 eV. Our findings enrich the family of 2D wide bandgap semiconductors, and also highlight the promising multi-functional electronic applications of 2D Pca21 SiNOX phases.
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