Induced out-of-plane piezoelectricity and giant Rashba spin splitting in Janus WSiZ3H (Z = N, P, As) monolayers toward next-generation electronic devices

压电 凝聚态物理 拉希巴效应 半导体 单层 杰纳斯 材料科学 声子 光电子学 纳米技术 自旋电子学 物理 铁磁性 复合材料
作者
Tuan V. Vu,Bui D. Hoi,A. I. Kartamyshev,Nguyen N. Hieu
出处
期刊:Journal of Applied Physics [American Institute of Physics]
卷期号:135 (7) 被引量:18
标识
DOI:10.1063/5.0190799
摘要

Two-dimensional (2D) piezoelectric nanomaterials have widely been studied recently due to their promise for various applications in technology. Investigation of vertical piezoelectricity will contribute to a deeper understanding of the intrinsic mechanism of piezoelectric effects in the 2D structures. In this paper, we report a first-principle study for the structural, electronic, piezoelectric, and transport properties of new-designed Janus WSiZ3H (Z= N, P, and As) monolayers. The structural stability of WSiZ3H is theoretically confirmed based on the energetic, phonon dispersion, and also elastic analyses. At the ground state, while WSiN3H is an indirect semiconductor, both WSiP3H and WSiAs3H are predicted to be direct semiconductors with smaller bandgaps. When the spin-orbit coupling effects are taken into account, a large valley spin splitting is observed at the K point of WSiZ3H materials. Interestingly, a giant Rashba spin splitting is found in WSiP3H and WSiAs3H with Rashba constant αR up to 770.91 meV Å. Additionally, our first-principles study indicates that Janus WSiZ3H monolayers are piezoelectric semiconductors with high out-of-plane piezoelectric coefficient |d31|, up to 0.15 pm/V, due to the broken mirror symmetry. Besides, with high electron mobilities and also possessing direct band gaps, WSiP3H and WSiAs3H monolayers are favorable for applications in optoelectronics.

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