【纯计算】ACS ANM：Sc2C纳米片功能化诱导压电响应的密度泛函理论研究

压电在微/纳米机电（MEMS/NEMS）系统中的应用至关重要。卡塔尔大学Mohamed F. Shibl等人探索了通过均相和非均相表面官能化将这种性质诱导到二维Sc₂CTT′MXenes（其中T和T′是官能化原子）中。

计算方法

本研究中的所有计算都是使用维也纳从头算模拟包（VASP）中的平面投影增强波（PAW）方法进行的，并且DFT交换关联势由广义梯度近似（GGA）中的 Perdew–Burke–Ernzerhof（PBE）泛函来描述。作者设置500eV的能量截断来控制平面波基组中电子波函数的膨胀极限。对于几何优化，作者将总能量和Hellmann–Feynman力的收敛标准设置为10^–6 eV和0.005 eV/Å。作者用12×12×1网格对布里渊区（BZ）进行采样，对应于第一个BZ中的19个不可约k点。为了防止表面之间的周期性相互作用，作者沿z方向设置了15Å的真空层。

结果与讨论

图1. 模型结构

2D M₂X层的表面官能化有三种典型的构型：（1）M-顶部构型，其中官能化原子T位于2D MXene上表面和下表面金属原子的顶部，（2）X-顶部构型，其中T原子位于X原子的顶部；最后（3）混合构型，其中官能化原子T在2D M2X纳米片的一侧为M-顶部，在另一侧为X-顶部；具体图1a所示。对于每个T原子，作者考虑了三种不同的结构；T=T′（均相官能化），T≠T′（非均相官能化）和T′≠T（反向非均相官能化），具体如图1b所示。

图2. 电子（橙色）和离子（绿色）对弹性和压电性质的贡献

2D MXenes具有平面内和平面外的压电响应，其中平面内响应可以从压电系数e11的数值推导出来，而可以从e31的值中观察到平面外响应。如图2所示，所有考虑的官能化MXene都具有混合构型，诱导的面内极化将随着T原子尺寸的增加而增加。而平面外压电的情况则大不相同，诱导的平面外极化随着T原子尺寸的增加而减小。

图3. 均相官能化Sc₂CT MXene的PDOS

均相官能化的投影态密度（PDOS）如图3所示，其中Sc₂CO₂、Sc₂CS₂、Sc₂CSe₂和Sc₂CTe₂的Sc d态以及上表面和下表面T和T′上的碳和官能化原子的p态分别在图a、b、c和d中给出。Sc₂CO₂、Sc₂CS₂和Sc₂CSe₂系统是分别具有2.15、2.07和1.77eV带隙的半导体。而Sc₂CTe2-MXene具有0.48eV的小带隙。除Sc₂CTe₂结构外，导带都由Sc金属的d态主导。对价带的主要贡献分别是官能化Sc和C原子的d和p态，随着官能化原子尺寸的增加，这些原子占据主导地位。显然，T和T′原子的p态在价带中的贡献从O到Te都在增加，这与它们的极化率趋势有关。

图4. 非均相官能化Sc₂C MXene的PDOS

图4给出了非均相官能化Sc₂C MXenes的投影态密度（PDOS），其中红线表示Sc金属的d态，绿线表示碳的p态，而蓝色和品红色线分别用于指示官能化原子T和T′的p态，并且T≠T′。对于反向非均相官能化（图4中的右栏），无论是金属顶部（上表面）还是碳底部（下表面），作者都使用相同的颜色来表示相同的原子。与均匀官能化类似，导带基本上由Sc金属的d态组成，而价带由碳或其底部的官能化原子T′形成。Sc₂CFCl和Sc₂CClF系统对DOS的贡献非常相似，特别是对价带的贡献，从而证实了电子构型的相似性。

总结与展望

研究发现，位于上表面和下表面的官能化原子T和T′在均相官能化的情况下是相同的，而在非均相官能化情况下是不同的。在T和T′交换时，生成一个额外的反向非均相结构。由于对称性破坏，Sc₂CT₂的非均相功能化引起了独特的平面内和平面外压电效应。非均相结构及其反向结构都表现出大致相同的几何、能量甚至弹性特性，但压电系数却截然不同。所获得的压电效应比MoS₂单层的压电性大十倍以上。该研究提出了一种基于Sc₂C MXenes的高效纳米压电器件，其可以用于能量转换和存储。

文献信息

Khaled E. El-Kelany et.al Density Functional Theory Study of Inducing Piezoelectric Response via Functionalization of a Sc2C Nanosheet: Implications for Energy Conversion and Storage ACS Applied Nano Materials 2023

https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsanm.3c01922

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【纯计算】ACS ANM：Sc2C纳米片功能化诱导压电响应的密度泛函理论研究

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