Van de Waals heterostructure (VDWH) is an emerging strategy to engineer the electronic properties of two-dimensional (2D) material systems. Motivated by the recent discovery of MoSi2N4-a synthetic septuple-layered 2D semiconductor with exceptional mechanical and electronic properties, we investigate the synergy of MoSi2N4 with wide-bandgap (WBG) 2D monolayers of GaN and ZnO using first-principle calculations. We find that MoSi2N4/GaN is a direct bandgap type-I VDWH, while MoSi2N4/ZnO is an indirect bandgap type-II VDWH. Intriguingly, by applying an electric field or mechanical strain along the out-of-plane direction, the band structures of MoSi2N4/GaN and MoSi2N4/ZnO can be substantially modified, exhibiting rich transitional behaviors, such as the type-I-to-type-II band alignment and the direct-to-indirect bandgap transitions. These findings reveal the potentials of MoSi2N4-based WBG VDWH as a tunable hybrid materials with enormous design flexibility in ultracompact optoelectronic applications.

1.
Y.
Liu
,
N. O.
Weiss
,
X.
Duan
,
H.-C.
Cheng
,
Y.
Huang
, and
X.
Duan
,
Nat. Rev. Mater.
1
,
16042
(
2016
).
2.
V.
Vaňo
,
M.
Amini
,
S. C.
Ganguli
,
G.
Chen
,
J. L.
Lado
,
S.
Kezilebieke
, and
P.
Liljeroth
, arXiv:2103.11989 (
2021
).
3.
X.
Liu
,
K.
Watanabe
,
T.
Taniguchi
,
B. I.
Halperin
, and
P.
Kim
,
Nat. Phys.
13
,
746
(
2017
).
4.
L.
Cao
,
G.
Zhou
,
Q.
Wang
,
L.
Ang
, and
Y. S.
Ang
,
Appl. Phys. Lett.
118
,
013106
(
2021
).
5.
L.
Cao
,
G.
Zhou
,
Q.
Wu
,
S. A.
Yang
,
H. Y.
Yang
,
Y. S.
Ang
, and
L.
Ang
,
Phys. Rev. Appl.
13
,
054030
(
2020
).
6.
Y.
Liu
,
J.
Guo
,
E.
Zhu
,
L.
Liao
,
S.-J.
Lee
,
M.
Ding
,
I.
Shakir
,
V.
Gambin
,
Y.
Huang
, and
X.
Duan
,
Nature
557
,
696
(
2018
).
7.
Y.
Liu
,
P.
Stradins
, and
S.-H.
Wei
,
Sci. Adv.
2
,
e1600069
(
2016
).
8.
S.
Hofstein
and
G.
Warfield
,
IEEE Trans. Electron Devices
12
,
66
(
1965
).
9.
S. O.
Koswatta
,
M. S.
Lundstrom
, and
D. E.
Nikonov
,
IEEE Trans. Electron Devices
56
,
456
(
2009
).
10.
X.
Gan
,
R.-J.
Shiue
,
Y.
Gao
,
I.
Meric
,
T. F.
Heinz
,
K.
Shepard
,
J.
Hone
,
S.
Assefa
, and
D.
Englund
,
Nat. Photonics
7
,
883
(
2013
).
11.
W.
Yu
,
S.
Li
,
Y.
Zhang
,
W.
Ma
,
T.
Sun
,
J.
Yuan
,
K.
Fu
, and
Q.
Bao
,
Small
13
,
1700268
(
2017
).
12.
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
).
13.
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,
npj 2D Mater. Appl.
5
,
71
(
2021
).
14.
H.
Zhao
,
G.
Yang
,
Y.
Liu
,
X.
Yang
,
Y.
Gu
,
C.
Wei
,
Z.
Xie
,
Q.
Zhang
,
B.
Bian
,
X.
Zhang
 et al,
ACS Appl. Electron. Mater.
3
,
5086
(
2021
).
15.
X.
Sun
,
Z.
Song
,
N.
Huo
,
S.
Liu
,
C.
Yang
,
J.
Yang
,
W.
Wang
, and
J.
Lu
,
J. Mater. Chem. C
9
,
14683
(
2021
).
16.
K.
Nandan
,
B.
Ghosh
,
A.
Agarwal
,
S.
Bhowmick
, and
Y. S.
Chauhan
,
IEEE Trans. Electron. Devices
69
,
406
(
2022
).
17.
A.
Ray
,
S.
Tyagi
,
N.
Singh
, and
U.
Schwingenschlog
,
ACS Omega
6
,
30371
(
2021
).
18.
C.-C.
Jian
,
X.
Ma
,
J.
Zhang
, and
X.
Yong
,
J. Phys. Chem. C
125
,
15185
(
2021
).
19.
X.
Cai
,
Z.
Zhang
,
Y.
Zhu
,
L.
Lin
,
W.
Yu
,
Q.
Wang
,
X.
Yang
,
X.
Jia
, and
Y.
Jia
,
J. Mater. Chem. C
9
,
10073
(
2021
).
20.
A.
Bafekry
,
M.
Faraji
,
A. A.
Ziabari
,
M.
Fadlallah
,
C. V.
Nguyen
,
M.
Ghergherehchi
, and
S.
Feghhi
,
New J. Chem.
45
,
8291
(
2021
).
21.
C.
Nguyen
,
N. V.
Hoang
,
H. V.
Phuc
,
A. Y.
Sin
, and
C. V.
Nguyen
,
J. Phys. Chem. Lett.
12
,
5076
(
2021
).
22.
J.
Zhao
,
X.
Jin
,
H.
Zeng
,
C.
Yao
, and
G.
Yan
,
Appl. Phys. Lett.
119
,
213101
(
2021
).
23.
Q.
Wu
,
L.
Cao
,
Y. S.
Ang
, and
L. K.
Ang
,
Appl. Phys. Lett.
118
,
113102
(
2021
).
24.
Z. Y.
Al Balushi
,
K.
Wang
,
R. K.
Ghosh
,
R. A.
Vilá
,
S. M.
Eichfeld
,
J. D.
Caldwell
,
X.
Qin
,
Y.-C.
Lin
,
P. A.
DeSario
,
G.
Stone
 et al,
Nat. Mater.
15
,
1166
(
2016
).
25.
J.
Lee
,
D. C.
Sorescu
, and
X.
Deng
,
J. Phys. Chem. Lett.
7
,
1335
(
2016
).
26.
X.
Rong
,
X.
Wang
,
S. V.
Ivanov
,
X.
Jiang
,
G.
Chen
,
P.
Wang
,
W.
Wang
,
C.
He
,
T.
Wang
,
T.
Schulz
 et al,
Adv. Mater.
28
,
7978
(
2016
).
27.
J.
Tian
,
L.
Liu
,
S.
Xia
,
Y.
Diao
, and
F.
Lu
,
Opt. Commun.
454
,
124498
(
2020
).
28.
J.
Ben
,
X.
Liu
,
C.
Wang
,
Y.
Zhang
,
Z.
Shi
,
Y.
Jia
,
S.
Zhang
,
H.
Zhang
,
W.
Yu
,
D.
Li
 et al,
Adv. Mater.
33
,
2006761
(
2021
).
29.
A.
Mahmud
,
A. A.
Khan
,
P.
Voss
,
T.
Das
,
E.
Abdel-Rahman
, and
D.
Ban
,
Adv. Mater. Interfaces
5
,
1801167
(
2018
).
30.
B.
Wang
,
J.
Ning
,
J.
Zhang
,
D.
Wang
,
X.
Yang
,
Y.
Jia
,
C.
Zhang
,
Y.
Zeng
, and
Y.
Hao
,
Appl. Phys. Lett.
119
,
163504
(
2021
).
31.
A.
Yoshikawa
,
H.
Matsunami
, and
Y.
Nanishi
, in
Wide Bandgap Semiconductors
(
Springer
,
2007
), pp.
1
24
.
32.
H.
Yuan
,
J.
Su
,
P.
Zhang
,
Z.
Lin
,
J.
Zhang
,
J.
Zhang
,
J.
Chang
, and
Y.
Hao
,
Mater. Today Phys.
21
,
100549
(
2021
).
33.
A. A.
Fletcher
and
D.
Nirmal
,
Superlattices Microstruct.
109
,
519
(
2017
).
34.
W.
Zhang
,
X.
Huang
,
Z.
Liu
,
F. C.
Lee
,
S.
She
,
W.
Du
, and
Q.
Li
,
IEEE Trans. Power Electron.
31
,
1344
(
2016
).
35.
X.
Ding
,
Y.
Zhou
, and
J.
Cheng
,
CES Trans. Electr. Mach. Syst.
3
,
54
(
2019
).
36.
C.
Jagadish
and
S. J.
Pearton
,
Zinc Oxide Bulk, Thin Films and Nanostructures: Processing, Properties, and Applications
(
Elsevier
,
2011
).
37.
H.-K.
Hong
,
J.
Jo
,
D.
Hwang
,
J.
Lee
,
N. Y.
Kim
,
S.
Son
,
J. H.
Kim
,
M.-J.
Jin
,
Y. C.
Jun
,
R.
Erni
 et al,
Nano Lett.
17
,
120
(
2017
).
38.
R.
Gang
,
L.
Xu
,
Y.
Xia
,
L.
Zhang
,
S.
Wang
, and
R.
Li
,
ACS Omega
6
,
3831
(
2021
).
39.
N.
Al-Hardan
,
M.
Abdullah
,
N.
Ahmed
,
F.
Yam
, and
A. A.
Aziz
,
Superlattices Microstruct.
51
,
765
(
2012
).
40.
Y.
Chen
,
K.
Liu
,
J.
Liu
,
T.
Lv
,
B.
Wei
,
T.
Zhang
,
M.
Zeng
,
Z.
Wang
, and
L.
Fu
,
J. Am. Chem. Soc.
140
,
16392
(
2018
).
41.
N. R.
Glavin
,
K. D.
Chabak
,
E. R.
Heller
,
E. A.
Moore
,
T. A.
Prusnick
,
B.
Maruyama
,
D. E.
Walker
, Jr.
,
D. L.
Dorsey
,
Q.
Paduano
, and
M.
Snure
,
Adv. Mater.
29
,
1701838
(
2017
).
42.
K.
Chung
,
C.-H.
Lee
, and
G.-C.
Yi
,
Science
330
,
655
(
2010
).
43.
R.
Yu
,
W.
Wu
,
Y.
Ding
, and
Z. L.
Wang
,
ACS Nano
7
,
6403
(
2013
).
44.
P.
Hu
,
Z.
Wen
,
L.
Wang
,
P.
Tan
, and
K.
Xiao
,
ACS Nano
6
,
5988
(
2012
).
45.
P.
Hu
,
L.
Wang
,
M.
Yoon
,
J.
Zhang
,
W.
Feng
,
X.
Wang
,
Z.
Wen
,
J. C.
Idrobo
,
Y.
Miyamoto
,
D. B.
Geohegan
 et al,
Nano Lett.
13
,
1649
(
2013
).
46.
H.
Song
,
S.
Li
,
L.
Gao
,
Y.
Xu
,
K.
Ueno
,
J.
Tang
,
Y.
Cheng
, and
K.
Tsukagoshi
,
Nanoscale
5
,
9666
(
2013
).
47.
G.
Kresse
and
J.
Hafner
,
Phys. Rev. B
47
,
558
(
1993
).
48.
G.
Kresse
and
J.
Hafner
,
Phys. Rev. B
49
,
14251
(
1994
).
49.
G.
Kresse
and
J.
Furthmüller
,
Comput. Mater. Sci.
6
,
15
(
1996
).
50.
G.
Kresse
and
J.
Furthmüller
,
Phys. Rev. B
54
,
11169
(
1996
).
51.
G.
Kresse
and
D.
Joubert
,
Phys. Rev. B
59
,
1758
(
1999
).
52.
J. P.
Perdew
,
K.
Burke
, and
M.
Ernzerhof
,
Phys. Rev. Lett.
77
,
3865
(
1996
).
53.
S.
Grimme
,
J.
Antony
,
S.
Ehrlich
, and
H.
Krieg
,
J. Chem. Phys.
132
,
154104
(
2010
).
54.
C.
Supatutkul
,
S.
Pramchu
,
A.
Jaroenjittichai
, and
Y.
Laosiritaworn
,
J. Phys. Conf. Ser.
901
,
012172
(
2017
).
55.
X.
Chen
,
H.
Sheng
,
J.
Wang
,
G.
Tang
,
J.
Zhang
, and
D.
Bai
,
Vacuum
174
,
109232
(
2020
).
56.
L.
Huang
,
Q.
Yue
,
J.
Kang
,
Y.
Li
, and
J.
Li
,
J. Phys.
26
,
295304
(
2014
).
57.
H. J.
Monkhorst
and
J. D.
Pack
,
Phys. Rev. B
13
,
5188
(
1976
).
58.
A.
Onen
,
D.
Kecik
,
E.
Durgun
, and
S.
Ciraci
,
Phys. Rev. B
93
,
085431
(
2016
).
59.
J. M.
Kasper
,
D. R.
Gamelin
, and
X.
Li
,
J. Chem. Phys.
152
,
014308
(
2020
).
60.
F. S.
Saoud
,
J. C.
Plenet
, and
M.
Henini
,
J. Alloys Compd.
619
,
812
(
2015
).
61.
R.
Islam
,
B.
Ghosh
,
C.
Autieri
,
S.
Chowdhury
,
A.
Bansil
,
A.
Agarwal
, and
B.
Singh
,
Phys. Rev. B
104
,
L201112
(
2021
).
62.
Q.
Zhao
,
Z.
Xiong
,
Z.
Qin
,
L.
Chen
,
N.
Wu
, and
X.
Li
,
J. Phys. Chem. Solids
91
,
1
6
(
2016
).
63.
R.
González-Ariza
,
O.
Martínez-Castro
,
M. G.
Moreno-Armenta
,
A.
Gonzalez-Garcia
,
W.
Lopez-Perez
, and
R.
Gonzalez-Hernandez
,
Physica B
569
,
57
(
2019
).
64.
Q.
Wu
and
L. K.
Ang
,
Appl. Phys. Lett.
120
,
022401
(
2022
).
65.
S. S.
Batsanov
,
Inorg. Mater.
37
,
871
(
2001
).
66.
H.
Fang
,
C.
Battaglia
,
C.
Carraro
,
S.
Nemsak
,
B.
Ozdol
,
J. S.
Kang
,
H. A.
Bechtel
,
S. B.
Desai
,
F.
Kronast
,
A. A.
Unal
 et al,
Proc. Natl. Acad. Sci.
111
,
6198
(
2014
).
67.
M.
Dienwiebel
,
G. S.
Verhoeven
,
N.
Pradeep
,
J. W.
Frenken
,
J. A.
Heimberg
, and
H. W.
Zandbergen
,
Phys. Rev. Lett.
92
,
126101
(
2004
).

Supplementary Material

You do not currently have access to this content.