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Predicting Novel 2D AsBiX3 (X = S, Se, and Te) Auxetic Monolayers with Favorable Optical and Photocatalytic Water-Splitting Properties

单层 分解水 材料科学 光催化分解水 带隙 光催化 半导体 直接和间接带隙 各向异性 从头算 纳米技术 化学物理 光电子学 化学 光学 物理 催化作用 有机化学 生物化学
作者
Kedidi Naoures,Ayadi Tarek,M. Debbichi,Sébastien Lebègue∥
出处
期刊:ACS applied electronic materials [American Chemical Society]
卷期号:5 (11): 5841-5851 被引量:5
标识
DOI:10.1021/acsaelm.3c00753
摘要

The design of two-dimensional multifunctional materials is highly desirable for nanoscale device applications. In this study, we report the structural, electronic, mechanical, and photocatalytic properties of chalcogenide-based monolayers AsBiX3 (X = S, Se, and Te) using first-principles calculations. The stability of these monolayers is confirmed through energetic and mechanical analyses, as well as ab initio molecular dynamics simulations. The analysis of mechanical properties reveals significant mechanical anisotropy and a bidirectional in-plane negative Poisson ratio in the monolayers. Additionally, the computed electronic band structures, obtained with and without spin–orbit coupling, indicate that these monolayers are indirect-gap semiconductors. At the Heyd–Scuseria–Ernzerhof level, the values of the band gap are determined to be 1.91 eV for AsBiS3, 1.66 eV for AsBiSe3, and 1.32 eV for AsBiTe3. These monolayers have a very high absorbance on the order of ∼5 × 105 cm–1 in the visible and ultraviolet regions with considerable anisotropy. We also found that monolayers hold a high mobility anisotropy. The predicted solar-to-hydrogen efficiency of all monolayers surpasses the critical value (>10%) for the economical production of hydrogen from photocatalytic water splitting. Notably, AsBiS3 and AsBiSe3 monolayers have appropriate band-edge positions that perfectly match the conditions for photocatalytic water splitting at pH = 0, and the band gap and band-edge positions can be adjusted through strain engineering. With these outstanding properties, AsBiX3 (X = S, Se, and Te) monolayers present themselves as promising candidates for applications in optoelectronics, mechanics, and photocatalytic water splitting.
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