With exceptional electrical and mechanical properties and at the same time air-stability, layered MoSi2N4 has recently drawn great attention. However, band structure engineering via strain and electric field, which is vital for practical applications, has not yet been explored. In this work, we show that the biaxial strain and external electric field are effective ways for the bandgap engineering of bilayer MoSi2N4 and WSi2N4. It is found that strain can lead to indirect bandgap to direct bandgap transition. On the other hand, electric field can result in semiconductor to metal transition. Our study provides insights into the band structure engineering of bilayer MoSi2N4 and WSi2N4 and would pave the way for its future nanoelectronics and optoelectronics applications.
References
1.
K. S.
Novoselov
, A. K.
Geim
, S. V.
Morozov
, D.
Jiang
, Y.
Zhang
, S. V.
Dubonos
, I. V.
Grigorieva
, and A. A.
Firsov
, Science
306
, 666
(2004
).2.
K. S.
Novoselov
, D.
Jiang
, F.
Schedin
, T.
Booth
, V.
Khotkevich
, S.
Morozov
, and A. K.
Geim
, Proc. Natl. Acad. Sci. U. S. A.
102
, 10451
(2005
).3.
K. S.
Novoselov
, A. K.
Geim
, S. V.
Morozov
, D.
Jiang
, M. I.
Katsnelson
, I. V.
Grigorieva
, S. V.
Dubonos
, and A. A.
Firsov
, Nature
438
, 197
(2005
).4.
G. R.
Bhimanapati
, Z.
Lin
, V.
Meunier
, Y.
Jung
, J.
Cha
, S.
Das
, D.
Xiao
, Y.
Son
, M. S.
Strano
, V. R.
Cooper
et al, ACS Nano
9
, 11509
(2015
).5.
C.
Tan
, X.
Cao
, X.-J.
Wu
, Q.
He
, J.
Yang
, X.
Zhang
, J.
Chen
, W.
Zhao
, S.
Han
, G.-H.
Nam
et al, Chem. Rev.
117
, 6225
(2017
).6.
K. F.
Mak
, C.
Lee
, J.
Hone
, J.
Shan
, and T. F.
Heinz
, Phys. Rev. Lett.
105
, 136805
(2010
).7.
B.
Radisavljevic
, A.
Radenovic
, J.
Brivio
, V.
Giacometti
, and A.
Kis
, Nat. Nanotechnol.
6
, 147
(2011
).8.
A.
Splendiani
, L.
Sun
, Y.
Zhang
, T.
Li
, J.
Kim
, C.-Y.
Chim
, G.
Galli
, and F.
Wang
, Nano Lett.
10
, 1271
(2010
).9.
H.
Liu
, A. T.
Neal
, Z.
Zhu
, Z.
Luo
, X.
Xu
, D.
Tománek
, and P. D.
Ye
, ACS Nano
8
, 4033
(2014
).10.
L.
Li
, Y.
Yu
, G. J.
Ye
, Q.
Ge
, X.
Ou
, H.
Wu
, D.
Feng
, X. H.
Chen
, and Y.
Zhang
, Nat. Nanotechnol.
9
, 372
(2014
).11.
S. P.
Koenig
, R. A.
Doganov
, H.
Schmidt
, A. C.
Neto
, and B.
Özyilmaz
, Appl. Phys. Lett.
104
, 103106
(2014
).12.
J.
Qiao
, X.
Kong
, Z.-X.
Hu
, F.
Yang
, and W.
Ji
, Nat. Commun.
5
, 4475
(2014
).13.
P.
Johari
and V. B.
Shenoy
, ACS Nano
6
, 5449
(2012
).14.
W. S.
Yun
, S.
Han
, S. C.
Hong
, I. G.
Kim
, and J.
Lee
, Phys. Rev. B
85
, 033305
(2012
).15.
S.
Bhattacharyya
and A. K.
Singh
, Phys. Rev. B
86
, 075454
(2012
).16.
H.
Pan
and Y.-W.
Zhang
, J. Phys. Chem. C
116
, 11752
(2012
).17.
H.
Guo
, N.
Lu
, J.
Dai
, X.
Wu
, and X. C.
Zeng
, J. Phys. Chem. C
118
, 14051
(2014
).18.
A.
Rodin
, A.
Carvalho
, and A. C.
Neto
, Phys. Rev. Lett.
112
, 176801
(2014
).19.
X.
Peng
, Q.
Wei
, and A.
Copple
, Phys. Rev. B
90
, 085402
(2014
).20.
R.
Fei
and L.
Yang
, Nano Lett.
14
, 2884
(2014
).21.
A.
Ramasubramaniam
, D.
Naveh
, and E.
Towe
, Phys. Rev. B
84
, 205325
(2011
).22.
Q.
Liu
, L.
Li
, Y.
Li
, Z.
Gao
, Z.
Chen
, and J.
Lu
, J. Phys. Chem. C
116
, 21556
(2012
).23.
T.
Chu
, H.
Ilatikhameneh
, G.
Klimeck
, R.
Rahman
, and Z.
Chen
, Nano Lett.
15
, 8000
(2015
).24.
K.
Dolui
, C. D.
Pemmaraju
, and S.
Sanvito
, ACS Nano
6
, 4823
(2012
).25.
L.
Kou
, C.
Tang
, Y.
Zhang
, T.
Heine
, C.
Chen
, and T.
Frauenheim
, J. Phys. Chem. Lett.
3
, 2934
(2012
).26.
Q.
Liu
, X.
Zhang
, L.
Abdalla
, A.
Fazzio
, and A.
Zunger
, Nano Lett.
15
, 1222
(2015
).27.
Q.
Wu
, L.
Shen
, M.
Yang
, Y.
Cai
, Z.
Huang
, and Y. P.
Feng
, Phys. Rev. B
92
, 035436
(2015
).28.
L.
Huang
, N.
Huo
, Y.
Li
, H.
Chen
, J.
Yang
, Z.
Wei
, J.
Li
, and S.-S.
Li
, J. Phys. Chem. Lett.
6
, 2483
(2015
).29.
L.
Cao
, Y. S.
Ang
, Q.
Wu
, and L.
Ang
, Appl. Phys. Lett.
115
, 241601
(2019
).30.
Y.-L.
Hong
, Z.
Liu
, L.
Wang
, T.
Zhou
, W.
Ma
, C.
Xu
, S.
Feng
, L.
Chen
, M.-L.
Chen
, D.-M.
Sun
et al, Science
369
, 670
(2020
).31.
K. S.
Novoselov
, Natl. Sci. Rev.
7
, 1842
(2020
).32.
L.
Tang
, J.
Tan
, H.
Nong
, B.
Liu
, and H.-M.
Cheng
, Acc. Mater. Res.
2
, 36
(2021
).33.
S.
Li
, W.
Wu
, X.
Feng
, S.
Guan
, W.
Feng
, Y.
Yao
, and S. A.
Yang
, Phys. Rev. B
102
, 235435
(2020
).34.
L.
Cao
, G.
Zhou
, Q.
Wang
, L.
Ang
, and Y. S.
Ang
, Appl. Phys. Lett.
118
, 013106
(2021
).35.
S.-D.
Guo
, W.-Q.
Mu
, Y.-T.
Zhu
, and X.-Q.
Chen
, Phys. Chem. Chem. Phys.
22
, 28359
(2020
).36.
S.-D.
Guo
, Y.-T.
Zhu
, W.-Q.
Mu
, and W.-C.
Ren
, Europhys. Lett.
132
, 57002
(2020
).37.
B.
Mortazavi
, B.
Javvaji
, F.
Shojaei
, T.
Rabczuk
, A. V.
Shapeev
, and X.
Zhuang
, Nano Energy
82
, 105716
(2021
).38.
A.
Bafekry
, M.
Faraji
, D. M.
Hoat
, M.
Fadlallah
, M.
Shahrokhi
, F.
Shojaei
, D.
Gogova
, and M.
Ghergherehchi
, arXiv:2009.04267 (2020
).39.
C.
Yang
, Z.
Song
, X.
Sun
, and J.
Lu
, Phys. Rev
. B 103
, 035308
(2021
).40.
41.
42.
Q.
Wang
, L.
Cao
, S.-J.
Liang
, W.
Wu
, G.
Wang
, C. H.
Lee
, W. L.
Ong
, H. Y.
Yang
, L. K.
Ang
, S. A.
Yang
et al, arXiv:2012.07465 (2020
).43.
G.
Kresse
and J.
Furthmüller
, Phys. Rev. B
54
, 11169
(1996
).44.
G.
Kresse
and J.
Furthmüller
, Comput. Mater. Sci.
6
, 15
(1996
).45.
S.
Smidstrup
, T.
Markussen
, P.
Vancraeyveld
, J.
Wellendorff
, J.
Schneider
, T.
Gunst
, B.
Verstichel
, D.
Stradi
, P. A.
Khomyakov
, U. G.
Vej-Hansen
et al, J. Phys.: Condens. Matter
32
, 015901
(2020
).46.
H. J.
Monkhorst
and J. D.
Pack
, Phys. Rev. B
13
, 5188
(1976
).47.
J. P.
Perdew
, K.
Burke
, and M.
Ernzerhof
, Phys. Rev. Lett.
77
, 3865
(1996
).48.
J.
Heyd
, G. E.
Scuseria
, and M.
Ernzerhof
, J. Chem. Phys.
118
, 8207
(2003
).49.
S.
Grimme
, J.
Antony
, S.
Ehrlich
, and H.
Krieg
, J. Chem. Phys.
132
, 154104
(2010
).50.
S.
Grimme
, S.
Ehrlich
, and L.
Goerigk
, J. Comput. Chem.
32
, 1456
(2011
).51.
Q.
Wu
, Y. S.
Ang
, L.
Cao
, and L. K.
Ang
, Appl. Phys. Lett.
115
, 083105
(2019
).© 2021 Author(s).
2021
Author(s)
You do not currently have access to this content.
