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Two novel semiconducting B2CO monolayers with high carrier mobilities
Journal of Computational Chemistry ( IF 3.4 ) Pub Date : 2021-08-24 , DOI: 10.1002/jcc.26735 Feng Li 1 , Weibo Han 1 , Zhi Cao 1 , Shilei Ji 1 , Haiyun Wang 1 , Lixia Wang 1 , Hong Wu 1 , Yuping Zhu 1 , Yong Pu 1
Journal of Computational Chemistry ( IF 3.4 ) Pub Date : 2021-08-24 , DOI: 10.1002/jcc.26735 Feng Li 1 , Weibo Han 1 , Zhi Cao 1 , Shilei Ji 1 , Haiyun Wang 1 , Lixia Wang 1 , Hong Wu 1 , Yuping Zhu 1 , Yong Pu 1
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The design of new two-dimensional (2D) materials with moderate band gaps and high carrier mobility is an important aspiration for materials innovation. Recent studies have shown that boron and oxygen atoms can be integrated into the graphene lattice to form a stable B–C–O monolayer structure. To search for the most energetically stable configuration for 2D B–C–O, here, we theoretically propose two new 2D B–C–O crystal structures with a stoichiometric ratio of 2:1:1, namely monolayer (1 L) C3v- and C2v-B2CO. Two configurations have 0.09 and 0.03 eV/unit cell lower energies than the reported 1 L Cs-B2CO configuration (Nanoscale 2016, 8, 8910). This result is further confirmed by particle swarm optimization (PSO) calculations. According to the chemical bonding analysis, 1 L C3v-B2CO with a quasi-planar configuration has the lowest energy, which is consisted of three strong B′–O σ-bonds, three B″–C σ-bonds, and one B′–C σ-bond. As a result, 2D B2CO has an ultra-high mechanical strength of ~366 J m−2, comparable to graphene ~352 J m−2. In addition, 1 L C3v-B2CO is a semiconductor with an HSE06 bandgap of 2.57 eV, and it has a high electron mobility of up to ~150 cm2 v−1 s−1. The high kinetic and thermodynamic stabilities of both 1 L C3v- and C2v-B2CO were confirmed according to phonon dispersion and molecular dynamic simulation. Comparable to that of crystalline silicon, 1 L C3v-B2CO also shows a high light absorption intensity in the 400–550 nm region. Therefore, 2D C3v-B2CO will have promising applications in semiconductor devices and photodetectors.
中文翻译：
两种具有高载流子迁移率的新型半导体 B2CO 单层
设计具有中等带隙和高载流子迁移率的新型二维 (2D) 材料是材料创新的一个重要愿望。最近的研究表明，硼和氧原子可以整合到石墨烯晶格中，形成稳定的 B-C-O 单层结构。为了寻找 2D B-C-O 能量最稳定的构型，我们在理论上提出了两种化学计量比为 2:1:1 的新 2D B-C-O 晶体结构，即单层 (1 L) C 3v -和 C 2v - B 2 CO。两种配置的能量比报道的 1 LC s - B 2 CO 配置（纳米级）低 0.09 和 0.03 eV/晶胞2016, 8, 8910)。粒子群优化 (PSO) 计算进一步证实了这一结果。根据化学键分析，具有准平面构型的1 LC 3v - B 2 CO 能量最低，由三个强 B'-O σ-键、三个 B″-C σ-键和一个B'-C σ-键。因此，2D B 2 CO 具有~366 J m -2的超高机械强度，与石墨烯~352 J m -2相当。此外，1 LC 3v - B 2 CO 是一种HSE06 带隙为2.57 eV 的半导体，它具有高达~150 cm 2 v -1 s -1的高电子迁移率. 根据声子色散和分子动力学模拟证实了 1 LC 3v -和 C 2v - B 2 CO的高动力学和热力学稳定性。与晶体硅相比，1 LC 3v - B 2 CO 在 400-550 nm 区域也显示出高光吸收强度。因此，2D C 3v - B 2 CO 将在半导体器件和光电探测器中具有广阔的应用前景。
更新日期：2021-09-09
中文翻译：
两种具有高载流子迁移率的新型半导体 B2CO 单层
设计具有中等带隙和高载流子迁移率的新型二维 (2D) 材料是材料创新的一个重要愿望。最近的研究表明，硼和氧原子可以整合到石墨烯晶格中，形成稳定的 B-C-O 单层结构。为了寻找 2D B-C-O 能量最稳定的构型，我们在理论上提出了两种化学计量比为 2:1:1 的新 2D B-C-O 晶体结构，即单层 (1 L) C 3v -和 C 2v - B 2 CO。两种配置的能量比报道的 1 LC s - B 2 CO 配置（纳米级）低 0.09 和 0.03 eV/晶胞2016, 8, 8910)。粒子群优化 (PSO) 计算进一步证实了这一结果。根据化学键分析，具有准平面构型的1 LC 3v - B 2 CO 能量最低，由三个强 B'-O σ-键、三个 B″-C σ-键和一个B'-C σ-键。因此，2D B 2 CO 具有~366 J m -2的超高机械强度，与石墨烯~352 J m -2相当。此外，1 LC 3v - B 2 CO 是一种HSE06 带隙为2.57 eV 的半导体，它具有高达~150 cm 2 v -1 s -1的高电子迁移率. 根据声子色散和分子动力学模拟证实了 1 LC 3v -和 C 2v - B 2 CO的高动力学和热力学稳定性。与晶体硅相比，1 LC 3v - B 2 CO 在 400-550 nm 区域也显示出高光吸收强度。因此，2D C 3v - B 2 CO 将在半导体器件和光电探测器中具有广阔的应用前景。
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