IV族与V族单层六方晶体的结构、振动及电子性质

利用第一性原理密度泛函理论计算，我们研究了一族化学式为$A_2B_2$的稳定二维晶体，其中$A$和$B$分别属于IV族和V族（$A$ = C, Si, Ge, Sn, Pb；$B$ = N, P, As, Sb, Bi）。六方晶格的两种结构对称性$P\bar{6}m2$和$P\bar{3}m1$被证明是动力学稳定的，分别命名为$\alpha$-和$\beta$-相。两相具有相近的凝聚能，且除CP、CAs、CSb和CBi外，$\alpha$-相在结构中能量更有利，而这些例外结构以$\beta$-相为优。我们纳入了自旋轨道耦合和Hartree-Fock交换关联修正以阐明电子结构。除CBi和PbN呈金属性外，所有结构均为半导体。SiBi、GeBi和SnBi具有直接带隙，其余半导体结构具有间接带隙。所有结构的价带均具四次色散，其中部分形成价带顶并类似墨西哥帽形状。SnAs和PbAs具有纯四次价带边，即$E{\sim}{-}\alpha k^4$，此为首次报道的性质。所预测材料是多种应用的候选者。因其宽带隙，CP、SiN、SiP、SiAs、GeN、GeP可用于光电子学。相对能带位置使若干结构适于水解制氢，其中CN和SiAs在所有pH值下均有利。具四次带边的结构有望高效用于热电应用。