Versatile two-dimensional boron monosulfide polymorphs with tunable bandgaps and superconducting properties

超导电性 材料科学 纳米电子学 凝聚态物理 从头算量子化学方法 半导体 剥脱关节 声子 结晶学 物理 纳米技术 化学 石墨烯 量子力学 光电子学 核物理学 分子
作者
Dong Fan,Shaohua Lu,Chengke Chen,Meiyan Jiang,Xiao Li,Xiaojun Hu
出处
期刊:Applied Physics Letters [American Institute of Physics]
卷期号:117 (1) 被引量:20
标识
DOI:10.1063/5.0006059
摘要

The typical two-dimensional semiconductors, group \uppercase\expandafter{\romannumeral3A} chalcogenides, have garnered tremendous interest for their outstanding electronic, mechanical, and chemical properties. However, so far, there have been almost no reports on boron monosulfides (BS) binary material. Here, four two-dimensional BS sheets, namely the $\alpha$-, $\beta$-, $\gamma$-, and $\delta$-BS sheets, are proposed and discussed from $\emph{ab initio}$ calculations. State-of-the-art first-principles calculations reveal all these structures are thermally and dynamically stable, indicating the potential for successful experimental synthesis. Especially, for $\alpha$-BS, it has a calculated exfoliation energy of 0.96 J m$^{-2}$, suggesting the preparation of $\alpha$-BS is feasible by the exfoliation of bulk rhombohedral-BS. Our results show that $\alpha$-, $\beta$-, $\gamma$-BS are semiconductors, whereas $\delta$-BS is a metallic system. Remarkably, our calculations indicate that $\delta$-BS is a superconductor with a large electron-phonon coupling ($\lambda$ = 1.51) leading a high superconducting critical temperature ($T_c$ $\approx $ 21.56 K), which is the first report of intrinsic superconducting property among all two-dimensional group \uppercase\expandafter{\romannumeral3A} chalcogenides. The desired mechanical and electronic properties render the BS sheets as the promising two-dimensional materials for future applications in nanoelectronics.

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