Biaxial strain enhanced piezoelectric properties in monolayer g-C3N4

材料科学 单层 压电 价(化学) 凝聚态物理 带隙 拉伤 半导体 偶极子 纳米技术 物理 复合材料 光电子学 量子力学 医学 内科学
作者
San‐Dong Guo,Wen-Qi Mu,Yutong Zhu
出处
期刊:Journal of Physics and Chemistry of Solids [Elsevier BV]
卷期号:151: 109896-109896 被引量:15
标识
DOI:10.1016/j.jpcs.2020.109896
摘要

Graphite-like carbon nitride (g-$\mathrm{C_3N_4}$) is considered as a promising candidate for energy materials. In this work, the biaxial strain (-4\%-4\%) effects on piezoelectric properties of g-$\mathrm{C_3N_4}$ monolayer are studied by density functional theory (DFT). It is found that the increasing strain can reduce the elastic coefficient $C_{11}$-$C_{12}$, and increases piezoelectric stress coefficient $e_{11}$, which lead to the enhanced piezoelectric strain coefficient $d_{11}$. Compared to unstrained one, strain of 4\% can raise the $d_{11}$ by about 330\%. From -4\% to 4\%, strain can induce the improved ionic contribution to $e_{11}$ of g-$\mathrm{C_3N_4}$, and almost unchanged electronic contribution, which is different from $\mathrm{MoS_2}$ monolayer (the enhanced electronic contribution and reduced ionic contribution). To prohibit current leakage, a piezoelectric material should be a semiconductor, and g-$\mathrm{C_3N_4}$ monolayer is always a semiconductor in considered strain range. Calculated results show that the gap increases from compressive strain to tensile one. At 4\% strain, the first and second valence bands cross, which has important effect on transition dipole moment (TDM). Our works provide a strategy to achieve enhanced piezoelectric effect of g-$\mathrm{C_3N_4}$ monolayer, which gives a useful guidence for developing efficient energy conversion devices.
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