The enhanced vertical piezoelectricity in Janus C3HFX (X = Si and Ge) monolayers based on the born effective charges dipole-moment

压电 偶极子 单层 杰纳斯 凝聚态物理 压电系数 挠曲电 材料科学 电偶极矩 半导体 纳米技术 化学 光电子学 物理 复合材料 有机化学
作者
Xiao Shang,Dai-Song Tang,Qiwen He,Hena Zhang,Fuchun Liu,Xiaochun Wang
出处
期刊:Applied Physics Letters [American Institute of Physics]
卷期号:123 (19) 被引量:13
标识
DOI:10.1063/5.0173968
摘要

Recently, two-dimensional (2D) piezoelectric materials are widely studied, and the vertical piezoelectric properties of 2D materials are highly required to be known in the related theory research works and experiments, so it becomes very important to explore the intrinsic mechanism of piezoelectricity in the 2D materials. Herein, we systematically study the piezoelectricity of Janus C3HFX (X = Si and Ge) monolayers with semiconductor property, which are carbon-based 2D materials, using the first-principles calculation. The remarkable enhancements on the absolute values of the vertical piezoelectric coefficient of C3HFSi-1 (e33 = 11.27 × 10−10 C/m) and C3HFGe-4 (e33 = −12.78 × 10−10 C/m) are larger than that of C4HF (e33 = −2.28 × 10−10 C/m) by 5 and 6 times, respectively. It indicates that the atom replacement at appropriate positions in the multiatomic monolayer can significantly enhance the vertical piezoelectric properties based on the appropriate distribution of polarization charge. We define the concepts, the Born effective charges center (BECs-center) and the BECs-dipole-moment in this work, to explain these large vertical piezoelectric coefficients’ variation. The larger BECs-dipole-moment will enhance the vertical piezoelectricity for these C3HFX monolayers than that of the C4HF monolayer. These concepts defined in this work will deepen the understanding of the internal physical mechanism about the piezoelectricity.
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