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壓電在微/納米機電（MEMS/NEMS）系統中的應用至關重要。卡塔爾大學Mohamed F. Shibl等人探索了通過均相和非均相表面官能化將這種性質誘導到二維Sc₂CTT′MXenes（其中T和T′是官能化原子）中。

計算方法

本研究中的所有計算都是使用維也納從頭算模擬包（VASP）中的平面投影增強波（PAW）方法進行的，并且DFT交換關聯勢由廣義梯度近似（GGA）中的 Perdew–Burke–Ernzerhof（PBE）泛函來描述。作者設置500eV的能量截斷來控制平面波基組中電子波函數的膨脹極限。對于幾何優化，作者將總能量和Hellmann–Feynman力的收斂標準設置為10^–6 eV和0.005 eV/?。作者用12×12×1網格對布里淵區（BZ）進行采樣，對應于第一個BZ中的19個不可約k點。為了防止表面之間的周期性相互作用，作者沿z方向設置了15?的真空層。

結果與討論

圖1. 模型結構

2D M₂X層的表面官能化有三種典型的構型：（1）M-頂部構型，其中官能化原子T位于2D MXene上表面和下表面金屬原子的頂部，（2）X-頂部構型，其中T原子位于X原子的頂部；最后（3）混合構型，其中官能化原子T在2D M2X納米片的一側為M-頂部，在另一側為X-頂部；具體圖1a所示。對于每個T原子，作者考慮了三種不同的結構；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），具體如圖1b所示。

圖2. 電子（橙色）和離子（綠色）對彈性和壓電性質的貢獻

2D MXenes具有平面內和平面外的壓電響應，其中平面內響應可以從壓電系數e11的數值推導出來，而可以從e31的值中觀察到平面外響應。如圖2所示，所有考慮的官能化MXene都具有混合構型，誘導的面內極化將隨著T原子尺寸的增加而增加。而平面外壓電的情況則大不相同，誘導的平面外極化隨著T原子尺寸的增加而減小。

圖3. 均相官能化Sc₂CT MXene的PDOS

均相官能化的投影態密度（PDOS）如圖3所示，其中Sc₂CO₂、Sc₂CS₂、Sc₂CSe₂和Sc₂CTe₂的Sc d態以及上表面和下表面T和T′上的碳和官能化原子的p態分別在圖a、b、c和d中給出。Sc₂CO₂、Sc₂CS₂和Sc₂CSe₂系統是分別具有2.15、2.07和1.77eV帶隙的半導體。而Sc₂CTe2-MXene具有0.48eV的小帶隙。除Sc₂CTe₂結構外，導帶都由Sc金屬的d態主導。對價帶的主要貢獻分別是官能化Sc和C原子的d和p態，隨著官能化原子尺寸的增加，這些原子占據主導地位。顯然，T和T′原子的p態在價帶中的貢獻從O到Te都在增加，這與它們的極化率趨勢有關。

圖4. 非均相官能化Sc₂C MXene的PDOS

圖4給出了非均相官能化Sc₂C MXenes的投影態密度（PDOS），其中紅線表示Sc金屬的d態，綠線表示碳的p態，而藍色和品紅色線分別用于指示官能化原子T和T′的p態，并且T≠T′。對于反向非均相官能化（圖4中的右欄），無論是金屬頂部（上表面）還是碳底部（下表面），作者都使用相同的顏色來表示相同的原子。與均勻官能化類似，導帶基本上由Sc金屬的d態組成，而價帶由碳或其底部的官能化原子T′形成。Sc₂CFCl和Sc₂CClF系統對DOS的貢獻非常相似，特別是對價帶的貢獻，從而證實了電子構型的相似性。

總結與展望

研究發現，位于上表面和下表面的官能化原子T和T′在均相官能化的情況下是相同的，而在非均相官能化情況下是不同的。在T和T′交換時，生成一個額外的反向非均相結構。由于對稱性破壞，Sc₂CT₂的非均相功能化引起了獨特的平面內和平面外壓電效應。非均相結構及其反向結構都表現出大致相同的幾何、能量甚至彈性特性，但壓電系數卻截然不同。所獲得的壓電效應比MoS₂單層的壓電性大十倍以上。該研究提出了一種基于Sc₂C MXenes的高效納米壓電器件，其可以用于能量轉換和存儲。

文獻信息

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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