七原子层$\mathrm{MSi_2N_4}$（M=Mo和W）中结构对本征压电性的影响

近期实验合成的单层$\mathrm{MoSi_2N_4}$与$\mathrm{WSi_2N_4}$（Science 369, 670-674 (2020)）缺乏反演对称性，使其可具有压电性。本文基于第一性原理计算，报道了七原子层$\mathrm{MSi_2N_4}$（M=Mo和W）中结构对本征压电性的影响，考虑了同空间群的六种结构（$\alpha_i$（$i$=1至6））。研究发现具有$\alpha_i$（$i$=1至6）的$\mathrm{MSi_2N_4}$（M=Mo和W）均为间接带隙半导体。计算结果表明$\mathrm{MoSi_2N_4}$与$\mathrm{WSi_2N_4}$单层对压电应变与应力系数（$d_{11}$与$e_{11}$）以及$e_{11}$的离子与电子贡献具有相同的结构依赖性。最后，我们研究了除$\mathrm{CrGe_2N_4}$外具有$\alpha_1$与$\alpha_2$相的单层$\mathrm{MA_2Z_4}$（M=Cr、Mo和W；A=Si和Ge；Z=N和P）的本征压电性，因为它们均为半导体且$\alpha_1$与$\alpha_2$相间的形成焓非常接近。最重要的结果是含P原子的单层$\mathrm{MA_2Z_4}$比含N原子的具有更强的压电极化。$\mathrm{MA_2N_4}$材料中最大的$d_{11}$为1.85 pm/V，接近于$\mathrm{MA_2P_4}$单层中最小的$d_{11}$值1.65 pm/V。对于$\mathrm{MA_2P_4}$，最大的$d_{11}$可达6.12 pm/V。在22种单质层中，$\alpha_1$-$\mathrm{CrSi_2P_4}$、$\alpha_1$-$\mathrm{MoSi_2P_4}$、$\alpha_1$-$\mathrm{CrGe_2P_4}$、$\alpha_1$-$\mathrm{MoGe_2P_4}$与$\alpha_2$-$\mathrm{CrGe_2P_4}$具有较大的$d_{11}$，大于或接近于5 pm/V（体压电材料的典型值）。