Two-dimensional (2D) materials with ferromagnetism and piezoelectricity have drawn great attention due to their promising application and fundamental significance. Using first-principles swarm structure search calculations, we have predicted a 2D Janus FeGeN3, with quintet atomic layers of N–Fe–N–Ge–N, demonstrating a desirable coexistence of ferromagnetism and piezoelectricity. It has an out-of-plane piezoelectric response of −0.31 pm/V, a robust ferromagnetic order with a Curie temperature (TC) of 302 K, and an excellent semiconductivity with a bandgap of 1.99 eV. Its ferromagnetic coupling is derived from the super-exchange interaction between Fe atoms mediated by multi-type N atoms. Moreover, the biaxial tensile strain is in the favor of the enhancement of ferromagnetism. These intriguing properties make Janus FeGeN3 an attractive candidate for spintronic devices with multifunctionality.

1.
K.
Neeraj
,
N.
Awari
,
S.
Kovalev
,
D.
Polley
,
N. Z.
Hagström
,
S. S.
Phani
,
K.
Arekapudi
,
A.
Semisalova
,
K.
Lenz
,
B.
Green
et al,
Nat. Phys.
17
,
245
250
(
2021
).
2.
J.
Walowski
and
M.
Münzenberg
,
J. Appl. Phys.
120
,
140901
(
2016
).
3.
J.
Puebla
,
J.
Kim
,
K.
Kondou
, and
Y.
Otani
,
Commun. Mater.
1
,
24
(
2020
).
4.
B.
Huang
,
G.
Clark
,
E.
Navarro-Moratalla
,
D. R.
Klein
,
R.
Cheng
,
K. L.
Seyler
,
D.
Zhong
,
E.
Schmidgall
,
M. A.
McGuire
,
D. H.
Cobden
,
W.
Yao
,
D.
Xiao
,
P.
Jarillo-Herrero
, and
X.
Xu
,
Nature
546
,
270
(
2017
).
5.
C.
Gong
,
L.
Li
,
Z.
Li
,
H.
Ji
,
A.
Stern
,
Y.
Xia
,
T.
Cao
,
W.
Bao
,
C.
Wang
,
Y.
Wang
,
Z. Q.
Qiu
,
R. J.
Cava
,
S. G.
Louie
,
J.
Xia
, and
X.
Zhang
,
Nature
546
,
265
(
2017
).
6.
M.
Bonilla
,
S.
Kolekar
,
Y.
Ma
,
H. C.
Diaz
,
V.
Kalappattil
,
R.
Das
,
T.
Eggers
,
H. R.
Gutierrez
,
M. H.
Phan
, and
M.
Batzill
,
Nat. Nanotechnol.
13
,
289
(
2018
).
7.
X.
Zhang
,
W.
Meng
,
Y.
Liu
,
X.
Dai
,
G.
Liu
, and
L.
Kou
,
J. Am. Chem. Soc.
145
,
5523
(
2023
).
8.
C.
Tang
,
L.
Zhang
,
S.
Sanvito
, and
A.
Du
,
J. Am. Chem. Soc.
145
,
2485
(
2023
).
9.
K.
Zhang
,
M.
Chen
,
D.
Wang
,
H.
Lv
,
X.
Wu
, and
J.
Yang
,
Nanoscale
13
,
19493
(
2021
).
10.
Y.
Jiao
,
X.-T.
Zeng
,
C.
Chen
,
Z.
Gao
,
K.
Song
,
X.-L.
Sheng
, and
S. A.
Yang
,
Phys. Rev. B
107
,
075436
(
2023
).
11.
S.-D.
Guo
,
W.-Q.
Mu
,
X.-B.
Xiao
, and
B.-G.
Liu
,
Nanoscale
13
,
12956
(
2021
).
12.
S.-D.
Guo
,
Y.-L.
Tao
,
H.-T.
Guo
,
Z.-Y.
Zhao
,
B.
Wang
,
G.
Wang
, and
X.
Wang
,
Phys. Rev. B
107
,
054414
(
2023
).
13.
B.
Huang
,
W.-Y.
Liu
,
X.-C.
Wu
,
S.-Z.
Li
,
H.
Li
,
Z.
Yang
, and
W.-B.
Zhang
,
Phys. Rev. B
107
,
045423
(
2023
).
14.
Y.
Zang
,
Y.
Ma
,
R.
Peng
,
H.
Wang
,
B.
Huang
, and
Y.
Dai
,
Nano Res.
14
(
3
),
834
839
(
2021
).
15.
C.
Zhang
,
Y.
Nie
,
S.
Sanvito
, and
A.
Du
,
Nano Lett.
19
,
1366
(
2019
).
16.
S. D.
Mahapatra
,
P. C.
Mohapatra
,
A. I.
Aria
,
G.
Christie
,
Y. K.
Mishra
,
S.
Hofmann
, and
V. K.
Thakur
,
Adv. Sci.
8
,
2100864
(
2021
).
17.
S.-D.
Guo
,
Y.-T.
Zhu
,
K.
Qin
, and
Y.-S.
Ang
,
Appl. Phys. Lett.
120
,
232403
(
2022
).
18.
S.-D.
Guo
,
X.-S.
Guo
,
Y.-T.
Zhu
, and
Y.-S.
Ang
,
Appl. Phys. Lett.
121
,
062403
(
2022
).
19.
M.
Xu
,
C.
Huang
,
Y.
Li
,
S.
Liu
,
X.
Zhong
,
P.
Jena
,
E.
Kan
, and
Y.
Wang
,
Phys. Rev. Lett.
124
,
067602
(
2020
).
20.
C.
Huang
,
Y.
Du
,
H.
Wu
,
H.
Xiang
,
K.
Deng
, and
E.
Kan
,
Phys. Rev. Lett.
120
,
147601
(
2018
).
21.
T.
Wang
,
H.
Zhang
,
M.
Li
,
X.
Zhao
,
C.
Xia
,
Y.
An
, and
S.
Wei
,
Physica E
151
,
115732
(
2023
).
22.
F.
Han
,
X.
Yan
,
F.
Li
,
H.
Yu
,
W.
Li
,
X.
Zhong
,
A.
Bergara
, and
G.
Yang
,
Phys. Rev. B
107
,
024414
(
2023
).
23.
T.
Zhao
,
J.
Zhou
,
Q.
Wang
,
Y.
Kawazoe
, and
P.
Jena
,
ACS Appl. Mater. Interfaces
8
,
26207
(
2016
).
24.
S.
Zheng
,
C.
Huang
,
T.
Yu
,
M.
Xu
,
S.
Zhang
,
H.
Xu
,
Y.
Liu
,
E.
Kan
,
Y.
Wang
, and
G.
Yang
,
J. Phys. Chem. Lett.
10
,
2733
(
2019
).
25.
Y.
Zhao
,
Q.
Liu
,
J.
Xing
,
X.
Jiang
, and
J.
Zhao
,
Nanoscale Adv.
4
,
600
607
(
2022
).
26.
Y.-L.
Hong
,
Z.
Liu
,
L.
Wang
,
T.
Zhou
,
W.
Ma
,
C.
Xu
,
S.
Feng
,
L.
Chen
,
M.-L.
Chen
,
D.-M.
Sun
,
X.-Q.
Chen
,
H.-M.
Chen
, and
W.
Ren
,
Science
369
,
670
(
2020
).
27.
Y.
Wang
,
J.
Lv
,
L.
Zhu
, and
Y.
Ma
,
Phys. Rev. B
82
,
094116
(
2010
).
28.
Y.
Wang
,
J.
Lv
,
L.
Zhu
, and
Y.
Ma
,
Comput. Phys. Commun.
183
,
2063
(
2012
).
29.
W.
Kohn
,
A. D.
Becke
, and
R. G.
Parr
,
J. Phys. Chem.
100
,
12974
(
1996
).
30.
W.
Kohn
and
L. J.
Sham
,
Phys. Rev.
140
,
A1133
(
1965
).
31.
G.
Kresse
and
J.
Furthmüller
,
Phys. Rev. B.
54
,
11169
(
1996
).
32.
G.
Kresse
and
J.
Furthmüller
,
Comput. Mater. Sci.
6
,
15
(
1996
).
33.
J. P.
Perdew
,
K.
Burke
, and
M.
Ernzerhof
,
Phys. Rev. Lett.
77
,
3865
(
1996
).
34.
G.
Rollmann
,
A.
Rohrbach
,
P.
Entel
, and
J.
Hafner
,
Phys. Rev. B
69
,
165107
(
2004
).
35.
C.
Frayret
,
A.
Villesuzanne
,
N.
Spaldin
,
E.
Bousquet
,
J.-N.
Chotard
,
N.
Recham
, and
J.-M.
Tarascon
,
Phys. Chem. Chem. Phys.
12
,
15512
(
2010
).
36.
M.
Cococcioni
and
S.
de Gironcoli
,
Phys. Rev. B
71
,
035105
(
2005
).
37.
M.
Ernzerhof
and
G. E.
Scuseria
,
J. Chem. Phys.
110
,
5029
(
1999
).
38.
J.
Heyd
,
G. E.
Scuseria
, and
M.
Ernzerhof
,
J. Chem. Phys.
118
,
8207
(
2003
).
39.
A.
Togo
and
I.
Tanaka
,
Scr. Mater.
108
,
1
5
(
2015
).
40.
D.
Bucher
,
L. C. T.
Pierce
,
J. A.
McCammon
, and
P. R. L.
Markwick
,
J. Chem. Theory Comput.
7
,
890
(
2011
).
41.
L.
Liu
,
X.
Ren
,
J. H.
Xie
,
B.
Cheng
,
W. K.
Liu
,
T. Y.
An
,
H. W.
Qin
, and
J. F.
Hu
,
Appl. Surf. Sci.
480
,
300
(
2019
).
42.
S.
Baroni
and
R.
Resta
,
Phys. Rev. B
33
,
7017
(
1986
).
43.
M. J.
Varjovi
,
M. E.
Kilic
, and
E.
Durgun
,
Phys. Rev. Mater.
7
,
034002
(
2023
).
44.
J.
Liu
,
Y.
Shen
,
L.
Lv
,
X.
Gao
,
X.
Meng
,
M.
Zhou
,
X.
Yang
,
Y.
Zhang
,
Y.
Zheng
, and
Z.
Zhou
,
J. Mater. Chem. C
10
,
10147
(
2022
).
45.
R. S.
Li
,
Q.
Shao
,
E.
Gao
, and
Z.
Liu
,
Extreme Mech. Lett.
34
,
100615
(
2020
).
46.
D. G.
Papageorgiou
,
l A.
Kinloch
, and
R. J.
Young
,
Prog. Mater. Sci.
90
,
75
127
(
2017
).
47.
K. H.
Michel
and
B.
Verberck
,
Phys. Rev. B
80
,
224301
(
2009
).
48.
Z.
Gao
,
X.
Dong
,
N.
Li
, and
J.
Ren
,
Nano Lett.
17
,
772
777
(
2017
).
49.
P.
Varadhan
,
H.-C.
Fu
,
Y.-C.
Kao
,
R.-H.
Horng
, and
J.-H.
He
,
Nat. Comm.
10
,
5282
(
2019
).
50.
X.
Yan
,
F.
Han
,
Y.
Yao
,
X.
Zhang
,
Y.
Liu
, and
G.
Yang
,
Phys. Rev. B
108
,
174402
(
2023
).
51.
W.
Qiao
,
S.
Yan
,
Y.
Hu
,
C.
Zhao
,
S.
Gao
,
R.
Bai
, and
T.
Zhou
,
Phys. Rev. B
107
,
184419
(
2023
).
52.
J. B.
Goodenough
,
Phys. Rev.
100
,
564
(
1955
).
53.
J. B.
Goodenough
,
J. Phys. Chem. Solids
6
,
287
297
(
1958
).
54.
J.
Kanamori
,
J. Appl. Phys.
31
,
S14
S23
(
1960
).
55.
56.
G.
Song
,
D.
Li
,
H.
Zhou
,
C.
Zhang
,
Z.
Li
,
G.
Li
,
B.
Zhang
,
X.
Huang
, and
B.
Gao
,
Appl. Phys. Lett.
118
,
123102
(
2021
).
57.
L.
Webster
and
J.-A.
Yan
,
Phys. Rev. B
98
,
144411
(
2018
).
58.
L.
Dong
,
J.
Lou
, and
V. B.
Shenoy
,
ACS Nano
11
,
8242
(
2017
).
59.
M. N.
Blonsky
,
H. L.
Zhuang
,
A. K.
Singh
, and
R. G.
Hennig
,
ACS Nano
9
,
9885
(
2015
).
60.
J.
Tan
,
Y.
Wang
,
Z.
Wang
,
X.
He
,
Y.
Liu
,
B.
Wang
,
M. I.
Katsnelson
, and
S.
Yuan
,
Nano Energy
65
,
104058
(
2019
).
61.
A. A. M.
Noor
,
H. J.
Kim
, and
Y. H.
Shin
,
Phys. Chem. Chem. Phys.
16
,
6575
(
2014
).
62.
F.
Xue
,
J.
Zhang
,
W.
Hu
,
W.-T.
Hsu
,
A.
Han
,
S.-F.
Leung
,
J.-K.
Huang
et al,
ACS Nano
12
,
4976
(
2018
).
63.
X.
Yan
,
F.
Han
,
Y.
Liu
, and
G.
Yang
,
J. Mater. Chem. C
11
,
16766
(
2023
).
64.
M.
Abboud
,
D. H.
Ozbey
, and
E.
Durgun
,
Appl. Surf. Sci.
567
,
150793
(
2021
).
65.
N.
Jena
,
Dimple
,
S. D.
Behere
, and
A. D.
Sarkar
,
J. Phys. Chem. C
121
,
9181
(
2017
).
66.
S. D.
Guo
,
X. S.
Guo
,
Y. Y.
Zhang
, and
K.
Luo
,
J. Alloy. Compd.
822
,
153577
(
2020
).

Supplementary Material

You do not currently have access to this content.