单层磷碳化物（P$_x$C$_{1-x}$）的相图与超晶格结构

采用第一性原理方法结合团簇展开与蒙特卡洛模拟，研究了二维磷碳化物 P$_x$C$_{1-x}$ 的相稳定性与性质。研究发现单层 P$_x$C$_{1-x}$ 是一个相分离体系，这表明制备单层 P$_x$C$_{1-x}$ 或晶态 P$_x$C$_{1-x}$ 薄膜较为困难。尽管如此，采用自下而上的设计方法确定了不同组分 P$_x$C$_{1-x}$ 的稳定结构，这些结构均为沿扶手椅方向交替排列的碳纳米带与磷纳米带构成的超晶格。第一性原理计算结果表明，一旦这些结构被制备出来，它们在力学与热力学上均是稳定的。所有有序结构均被预测为半导体，带隙范围为 0.2 至 1.2 eV。此外，单层 P$_x$C$_{1-x}$ 被预测具有高载流子迁移率，以及在紫外区域的高光吸收，且随 P:C 比增加呈现红移。这些性质使二维 P$_x$C$_{1-x}$ 成为电子与光电子器件应用中有前景的材料。