Theoretical prediction of superconductivity in intrinsic and hydrogenated transition metal mononitride monolayers

超导电性 凝聚态物理 费米面 单层 过渡金属 材料科学 声子 联轴节(管道) 相(物质) 费米能级 分子振动 金属 物理 电子 化学 纳米技术 分子 量子力学 催化作用 冶金 生物化学
作者
Shiye Chen,Meiling Xu,Yiming Zhang,Wen Xu,Caoping Niu,Yinwei Li
出处
期刊:Physical review [American Physical Society]
卷期号:112 (10)
标识
DOI:10.1103/xhj7-n8g5
摘要

Two-dimensional superconductors have garnered significant attention due to their exceptional quantum properties, particularly tunable superconductivity, which holds great potential for advanced quantum technologies. In this study, first-principles calculations reveal two stable transition metal mononitride monolayers---1T- and $1H\text{\ensuremath{-}}{\mathrm{Mo}}_{2}{\mathrm{N}}_{2}$---featuring chemically distinct Mo- and N-terminated surfaces. Electron-phonon coupling calculations predict the superconducting transition temperatures $({T}_{\mathrm{c}})$ of $\ensuremath{\sim}13.6$ K for the 1T phase and $\ensuremath{\sim}13.5$ K for the 1H phase. The coupling between Mo ${d}_{{z}^{2}}$ orbital electrons at the Fermi level and out-of-plane acoustic phonon modes associated with Mo atoms is identified as a key contributor to superconductivity. Hydrogenation on the Mo-terminated surface boosts ${T}_{\mathrm{c}}$ to 25.4 K in 1T phase, driven by the increase of Mo ${d}_{{z}^{2}}$ electronic states at the Fermi level and the softening of the out-of-plane acoustic mode induced by the activation of Mo-H bond stretching vibrations. In contrast, hydrogenation on the N-terminated surface suppresses superconductivity due to the inhibition of out-of-plane Mo vibrations. Furthermore, double-sided hydrogenation on both surfaces reduces ${T}_{\mathrm{c}}$ to 16.9 K in the 1T phase and 8.2 K in the 1H phase. These findings provide valuable insights into tunable superconductivity in two-dimensional materials through targeted site-dependent hydrogenation.
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