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Ultrahigh Out-of-Plane Piezoelectricity Meets Giant Rashba Effect in 2D Janus Monolayers and Bilayers of Group IV Transition-Metal Trichalcogenides

杰纳斯 单层 过渡金属 纤锌矿晶体结构 点反射 凝聚态物理 压电 范德瓦尔斯力 材料科学 纳米技术 结晶学 化学 复合材料 物理 分子 冶金 锌 催化作用 有机化学 生物化学
作者
Raihan Ahammed,Nityasagar Jena,Ashima Rawat,Manish Kumar Mohanta,Dimple Dimple,Abir De Sarkar
出处
期刊:Journal of Physical Chemistry C [American Chemical Society]
卷期号:124 (39): 21250-21260 被引量:133
标识
DOI:10.1021/acs.jpcc.0c05134
摘要

The simultaneous occurrence of gigantic piezoelectricity and Rashba effect in two-dimensional (2D) materials is unusually scarce. Inversion symmetry occurring in MX 3 (M = Ti, Zr, Hf; X = S, Se) monolayers is broken upon constructing their Janus monolayer structures MX 2 Y (X ≠ Y =S, Se), thereby inducing a large out-of-plane piezoelectric constant d 33 (∼68 pm/V) in them. d 33 can be further enhanced to a super high value of ∼1000 pm/V upon applying vertical compressive strain in the van der Waals bilayers constituted by interfacing these Janus monolayers. Therefore, d 33 in these Janus transition-metal trichalcogenide (TMTC) bilayers reach more than 4-fold times that of bulk ceramic PZT material (∼268 pm/V). The absence of a horizontal mirror symmetry and the presence of strong spin–orbit coupling cause Rashba spin-splitting in electronic bands in these Janus 2D monolayers, which shows up as an ultrahigh Rashba parameter, α R ∼ 1.1 eV Å. It can be raised to 1.41 eV Å via compressive strain. Most of the 2D materials reported to date mainly show in-plane electric polarization, which severely limits their prospects in piezotronic devices. In this present work, the piezoelectricity shown by the Janus monolayers of group IV TMTCs and their bilayers is significantly higher than the ones generally utilized in the form of three-dimensional bulk piezoelectric solids, for example, α-quartz ( d 11 = 2.3 pm/V), wurtzite-GaN ( d 33 = 3.1 pm/V), and wurtzite-AlN ( d 33 = 5.6 pm/V). It is exceedingly higher than that in Janus multilayer/bulk structures of Mo- and W-based transition-metal dichalcogenides, for example, MoSTe ( d 33 ∼ 10 pm/V). The 2D Janus TMTC monolayers and their bilayers reported herewith straddle giant Rashba spin-splitting and ultrahigh piezoelectricity, thereby making them immensely promising candidates in the next-generation electronics, piezotronics, spintronics, flexible electronics, and piezoelectric devices.
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