研究背景
二维 MA2Z4 材料因具有优异的热稳定性、力学稳定性、可调电子结构和较高载流子迁移率，已成为低维电子学和光电子学中的重要候选体系。Janus 结构通过在材料上下表面引入不同原子层，打破面外对称性，为调控能带、极化、输运和光响应提供了新的自由度。此前 Janus MoSi2N2P2 的稳定性和光学性质已有理论预测，但其电子输运、场效应调控和光电响应等器件行为仍需进一步阐明。
研究内容
该研究首先构建了 α1 和 α2 相的 MoSi2N2P2、Mo(SiNP)2-A 和 Mo(SiNP)2-B 单层，并对其进行结构优化。声子谱、AIMD 热稳定性和弹性常数计算表明，这些二维单层具有良好的结构稳定性、热稳定性和力学稳定性。其中 MoSi2N2P2 单层兼具较好的柔性和尺寸稳定性，适合进一步用于柔性、超薄纳米电子器件的设计。
在电子结构方面，能带和态密度结果显示，MoSi2N2P2 单层具有较窄带隙，有利于低电压下载流子注入和调制。进一步计算载流子迁移率，发现 Janus MoSi2N2P2 在 x 方向的迁移率高于 y 方向；其中 α1 相在 x 方向的载流子迁移率相较 MoSi2N4 有明显提升，并可与 MoSi2P4 的性能相媲美。
随后，构建基于 Janus MoSi2N2P2 的 p-n 结二极管，并分别考察 zigzag 与 armchair 方向的电子输运特性。结果表明，该类器件具有明显整流效应；其中 α1 相 Z-type p-n 结在中等掺杂浓度下峰值电流密度达到 270.37 mA/mm2，并表现出负微分电阻现象，显示其在低维整流器和多值逻辑器件中的应用潜力。
在 p-i-n 场效应晶体管中，不同相和不同输运方向会带来显著不同的栅压响应。α1 相器件在正栅压下电流密度逐渐增大，而 α2 相器件呈下降趋势；在负栅压下，各器件均保持稳定状态。这说明 Janus MoSi2N2P2 的相结构和输运方向可以作为调控纳米晶体管性能的重要设计参数。
进一步地，设计 p-i-n 光电晶体管并考察其在不同波长下的光响应。计算结果显示，Janus MoSi2N2P2 光晶体管在紫光和紫外区域具有稳健的光伏响应。其中 α1 相 Z-type 和 A-type 器件的光电流分别达到 7.80 μA/mm2 和 8.92 μA/mm2，α2 相 Z-type 和 A-type 器件分别达到 12.79 μA/mm2 和 8.85 μA/mm2。
总结
研究结果表明，Janus MoSi2N2P2 及相关 Mo(SiNP)2-A/B 单层具有良好的结构、热和力学稳定性，并表现出适合纳米器件应用的电子结构和载流子输运特征。基于 Janus MoSi2N2P2 的 p-n 结二极管展现出明显整流效应和负微分电阻行为，p-i-n 场效应晶体管表现出可调的栅压响应，而 p-i-n 光电晶体管在紫光和紫外区域具有稳健光响应。该工作证明 Janus MoSi2N2P2 单层是未来超薄电子器件和光电子器件的有力候选材料，也为 MA2Z4 家族 Janus 二维材料的器件化研究提供了新的思路。
参考文献
- Fan X, Li J, Shiri M, et al. Exploring the application of Janus MoSi2N2P2 monolayers in nanodevices and phototransistors. Physical Review Applied, 2025, 24(4): 044064.
- https://doi.org/10.1103/z6gq-xv4m