[论文解读] Two-dimensional bimetal-embedded expanded phthalocyanine monolayers: a class of multifunctional materials with fascinating properties

Debing Long, Nikolay V. Tkachenko+5 more|arXiv (Cornell University)|Jul 11, 2023

2D Materials and ApplicationsMaterials Science被引用 3

一句话总结

本研究提出了一类新型二维双金属掺杂扩展开孔紫啉单层（TM2EPc，TM = Sc–Zn），其具有卓越的结构稳定性、可调的电子性质以及强光吸收能力。基于第一性原理计算发现，Cr2EPc表现出铁磁狄拉克半金属特性，居里温度高达325 K；而Fe2EPc在压缩应变下转变为半金属；异质结如Ni2EPc/2H-WSe2的功率转换效率达到25.19%，凸显其在自旋电子学与光伏应用中的巨大潜力。

ABSTRACT

The expanded phthalocyanine (EPc) single-layer sheets with double transition metals (labeled as TM2EPc, TM = Sc-Zn) are predicted to be a new class of two-dimensional (2D) metal-organic materials with a series of favorable functional properties by means of systematic first-principle calculations and molecular dynamics simulations. The strong coordination between metal and EPc substrate accounts for the excellent structural stability. Chemical bonding analysis has demonstrated the absence of TM-TM bonding. Each metal center is isolated, but connected to the organic framework by four 2c-2e TM-N σ-bonds to form an extended 2D network. Unexpectedly, it is found that the V2EPc is an antiferromagnetic metal with Dirac cone, while Cr2EPc exhibits ferromagnetic Dirac half-metallicity, which is not common in 2D materials. Excitingly, the ferromagnetic Cr2EPc and antiferromagnetic Mn2- and Fe2-EPc have high magnetic transition temperatures of 223, 217, and 325 K, respectively, which are crucial for the practical applications of spintronics. Cr2EPc can maintain the Dirac half-metallicity under -6 % ~ 2 % biaxial strains, and Fe2EPc can transform from semiconductor to half-metal by applying -6 % ~ -10 % compressive strains. Additionally, the TM2EPc monolayers exhibit a full response to visible light and some materials have strong absorption in the ultraviolet and infrared regions in addition to visible light, showing extraordinary solar light-harvesting ability. Notably, the designed type-II heterojunctions Fe2EPc/SnC, Co2EPc/GeS, and Ni2EPc/2H-WSe2 have high power conversion efficiency (PCE > 15%), especially the PCE of Ni2EPc/2H-WSe2 reaches 25.19%, which has great potential in solar cell applications. All these desired properties render 2D TM2EPc monolayers promising candidates for future applications in nanoelectronics, spintronics,optoelectronics, and photovoltaic devices.

研究动机与目标

• 探索二维双金属掺杂扩展开孔紫啉单层（TM2EPc，TM = Sc–Zn）的结构与电子稳定性。
• 研究TM2EPc单层的磁性、电子与光学性质，评估其在自旋电子学与光电子学中的潜在应用。
• 评估基于TM2EPc的异质结在光伏器件中的性能，特别是其功率转换效率（PCE）。

提出的方法

• 采用基于密度泛函理论（DFT）的系统性第一性原理计算，分析TM2EPc单层的电子结构、化学键合与稳定性。
• 利用分子动力学模拟评估二维TM2EPc体系的热稳定性和结构稳定性。
• 开展化学键合分析，表征金属-配体相互作用的本质，重点聚焦于过渡金属（TM）与氮原子之间的2c-2e σ键。
• 应用应变工程探测电子性质的可调性，特别是半导体向半金属行为的转变。
• 设计TM2EPc与二维半导体（如SnC、GeS、2H-WSe2）之间的Type-II异质结，以评估其光伏性能。
• 计算异质结的功率转换效率（PCE），以评估其在太阳能电池中的潜力。

实验结果

研究问题

• RQ1 双金属掺杂扩展开孔紫啉单层（TM2EPc）能否在通过2c-2e σ键连接的孤立过渡金属中心下保持结构稳定性？
• RQ2 TM2EPc单层的磁性和电子性质如何，特别是在应变和有限温度条件下的表现？
• RQ3 基于TM2EPc的异质结能否实现适合实际太阳能电池应用的高功率转换效率？
• RQ4 应变如何影响Fe2EPc从半导体向半金属行为的转变？
• RQ5 TM2EPc单层在紫外、可见光和红外区域的太阳光捕获能力如何？

主要发现

• Cr2EPc表现出铁磁狄拉克半金属特性，其磁性转变温度高达325 K，表明其在室温自旋电子学应用中具有强大潜力。
• V2EPc被预测为具有狄拉克锥的反铁磁金属，这一特性在二维材料中极为罕见且极具前景。
• Mn2EPc和Fe2EPc分别表现出反铁磁与铁磁有序，其磁性转变温度分别为217 K和325 K。
• Fe2EPc在-6%至-10%的压缩应变下由半导体转变为半金属，展现出可调的电子行为。
• Ni2EPc/2H-WSe2异质结的功率转换效率达到25.19%，超过15%，显示出极强的光伏潜力。
• 所有TM2EPc单层均对可见光完全响应，部分在紫外和红外区域也表现出强烈吸收，具备卓越的太阳光捕获能力。