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Janus VSiP₂X 单层中的谷电子学与光电子特性

Physica E 183 (2026) 116599

卤化 Janus VSiP₂X 单层中的谷电子学与光电子特性

Exploring Valleytronics and Photonic Characteristics in Halogenated VSiP₂X (X = Cl, Br) Monolayers

导读 导读：基于第一性原理计算，系统研究了 Janus VSiP₂X (X = Cl, Br) 单层——MA₂Z₄ 家族的新成员。两种体系均为直接带隙半导体，展现可观的谷自旋劈裂（最高 67.9 meV）、谷对比 Berry 曲率、强光学吸收（~10⁶ cm⁻¹）和有限压电响应。带隙可通过双轴应变线性调控，为多功能谷电子学和光电器件提供了理论指导。

一、引言：Janus MA₂Z₄ 家族的谷电子学

1.1 MA₂Z₄ 家族：超越 TMDs 的二维半导体

MA₂Z₄ 家族以 MoSi₂N₄ 为代表，已通过 CVD 成功合成，展现出优异的环境稳定性、高载流子迁移率和广泛可调的电子结构。

VSi₂N₄ 被预测实现谷-半半导体态，VSi₂P₄ 展现出强关联和应变诱导的丰富拓扑相。

Janus 二维材料通过面外不对称性提供了结构驱动的对称性破缺，为调控电子和谷性质提供了通用平台。

1.2 Janus VSiP₂X (X = Cl, Br) 的设计

本文通过卤化策略——用 Cl 或 Br 选择性取代 VSi₂P₄ 的外层 P 原子——构建 Janus VSiP₂Cl 和 VSiP₂Br 单层。

该化学修饰不仅产生类似 MoSSe 的 Janus 构型，还向 V-3d 轨道贡献一个额外电子，形成 3d² 电子构型。

Janus 诱导的面外不对称性导致内建垂直偶极子（VSiP₂Cl: 0.16 Debye, VSiP₂Br: 0.31 Debye），增强有效 SOC 并调控谷劈裂。

二、晶体结构与稳定性

2.1 Janus 结构特征

VSiP₂X 单层呈非对称面外 X-V-P-Si-P 原子堆叠，属于非中心对称 P3m1 空间群，C₃ᵥ 点群对称性。

晶格常数：VSiP₂Cl 为 a = 3.379 Å，VSiP₂Br 为 a = 3.431 Å。层厚分别为 6.210 Å 和 6.306 Å。

V-P 键长约 2.40 Å，V-X 键长分别为 2.473 Å (Cl) 和 2.587 Å (Br)。

表1: VSiP₂X 单层的关键物理参数

VSiP₂Cl: 晶格常数 a = 3.379 Å, 层厚 h = 6.210 Å, C₁₁ = 146.6 N/m, C₁₂ = 32.0 N/m。

HSE 带隙: Eg = 0.93 eV (无 SOC), E'g = 0.90 eV (含 SOC)。价带劈裂 ΔV = 48.7 meV, 导带劈裂 ΔC = 4.4 meV。

VSiP₂Br: 晶格常数 a = 3.431 Å, 层厚 h = 6.306 Å, C₁₁ = 144.3 N/m, C₁₂ = 32.0 N/m。

HSE 带隙: Eg = 0.86 eV (无 SOC), E'g = 0.82 eV (含 SOC)。价带劈裂 ΔV = 67.9 meV, 导带劈裂 ΔC = 8.9 meV。

Berry 曲率 Ω(K): VSiP₂Cl = 121.5 Bohr², VSiP₂Br = 127.6 Bohr²。

图1: Janus VSiP₂X (X = Cl, Br) 单层的晶体结构。(a) 侧视图，展示面外不对称原子排列。(b) 顶视图，V、Si、P、X 原子分别以红、蓝、灰、绿表示。

2.2 力学、动力学与热力学稳定性

弹性常数满足 Born-Huang 判据（C₁₁ > 0, C₁₁ > |C₁₂|），证实力学稳定性。

声子色散无虚频模式，证实动力学稳定性。

AIMD 模拟（500 K, 12 ps）显示总能量在平衡值附近小幅振荡，结构保持完整，证实热力学稳定性。

图2: VSiP₂Cl (a) 和 VSiP₂Br (b) 的声子色散曲线。500 K AIMD 模拟中 VSiP₂Cl (c) 和 VSiP₂Br (d) 的总能量演化。

三、电子结构与谷物理

3.1 能带结构与谷劈裂

两种体系均为直接带隙半导体，带边位于 K 和 K' 谷。Janus 诱导的反演对称性破缺结合 SOC 导致价带顶出现可观的谷自旋劈裂（VSS）。

VSiP₂Br 的价带劈裂（67.9 meV）大于 VSiP₂Cl（48.7 meV），归因于 Br 的更强 SOC。

导带劈裂较小（4.4-8.9 meV），反映了导带态的不同轨道特征。

谷自旋劈裂 ΔV 的定义：K 和 K' 谷价带顶能量差

Berry 曲率的 Kubo 公式

图3: (a,b) VSiP₂Cl 和 VSiP₂Br 的 HSE 能带结构（含 SOC）。(c,d) 轨道投影能带。

3.2 Berry 曲率与谷霍尔效应

K 和 K' 谷附近出现显著的 Berry 曲率，且符号相反，满足时间反演对称性要求。

Berry 曲率在 K 谷的值：VSiP₂Cl 为 121.5 Bohr²，VSiP₂Br 为 127.6 Bohr²，与典型谷材料相当。

谷对比的 Berry 曲率分布将导致谷霍尔效应——在面内电场驱动下，不同谷的载流子获得相反的反常速度。

图4: (a,b) VSiP₂Cl 和 VSiP₂Br 沿高对称路径的 Berry 曲率。

图5: 谷霍尔响应。(a) 谷对比的 Berry 曲率。(b) 谷霍尔电导率。(c) 谷极化率。

四、光学吸收与应变调控

4.1 强光学吸收

两种体系均展现出强光学吸收，吸收系数达到 10⁶ cm⁻¹ 量级，覆盖可见光至紫外范围。

Janus 不对称性导致面内和面外光学响应的显著差异，为偏振分辨的光学探测提供了可能。

第一激子峰位于可见光区，表明 VSiP₂X 在光电器件中具有应用潜力。

图6: VSiP₂Cl 和 VSiP₂Br 的光学吸收谱。(a) 面内分量。(b) 面外分量。(c) 吸收系数。

4.2 双轴应变线性调控带隙

带隙随双轴应变呈近似线性变化：压缩应变增大带隙，拉伸应变减小带隙。

应变调控范围覆盖 ±6%，带隙变化约 0.3-0.5 eV，为谷电子器件的带隙工程提供了灵活手段。

应变下谷劈裂和 Berry 曲率也发生系统性变化，可实现谷自由度的力学调控。

带隙随双轴应变的线性-二次响应

图7: (a) 带隙随双轴应变的变化。(b) 应变下的价带和导带边位移。(c) 谷劈裂的应变依赖性。

五、压电响应与载流子迁移率

5.1 Janus 不对称性驱动的压电性

面外反演对称性破缺赋予 VSiP₂X 单层有限压电响应。计算得到非零压电系数 e₁₁ 和 d₁₁。

VSiP₂Br 的压电系数大于 VSiP₂Cl，归因于 Br 的更大原子尺寸和更强面外不对称性。

压电性与谷电子学的结合为多功能纳米器件（同时实现谷信号的电学和力学调控）提供了可能。

压电系数：应力-极化耦合张量

二维载流子迁移率（形变势理论）

图8: (a) 压电系数 e₁₁ 和 d₁₁。(b) 载流子迁移率。(c) 压电响应的方向依赖性。

六、总结与展望

6.1 核心贡献

系统研究了 Janus VSiP₂X (X = Cl, Br) 单层的结构稳定性、电子性质、Berry 曲率和光学吸收。

两种体系均为直接带隙半导体，展现可观的谷自旋劈裂（VSiP₂Cl: 48.7 meV, VSiP₂Br: 67.9 meV）和谷对比 Berry 曲率。

强光学吸收（~10⁶ cm⁻¹）、线性应变可调带隙和有限压电响应使 VSiP₂X 成为多功能谷电子学平台。

6.2 实验展望

本研究将 MA₂Z₄ 家族拓展至卤素修饰的 Janus 谷材料，为 VSiP₂X 的实验合成和表征提供了理论预测。

谷依赖的 Berry 曲率和压电响应原则上可通过圆偏振光致发光、谷霍尔效应测量和压电力显微镜进行实验探测。

应变工程和电场调控可进一步优化谷电子性能，为谷电子学器件的实际应用奠定基础。

Y. Mu, F. Miao, Y. Yang | Physica E 183, 116599 (2026) | Janus 单层 · 谷电子学 · 光电子特性 · 压电性