title: Tailoring the many-body effects and phase configurations in monolayer MSi2X4 (M = Mo, W; X = N, P, As, Sb) for wide-range bandgap engineering
date: 2026-03-07
categories: research
tags: [news, GW]
近日，南方科技大学材料科学与工程系、信阳师范大学、南通大学、杭州电子科技大学合作，在二维 MSi₂X₄（M = Mo, W；X = N, P, As, Sb）材料的多体电子结构与相稳定性研究方面取得重要进展。相关成果以《Tailoring the many-body effects and phase configurations in monolayer MSi₂X₄ (M = Mo, W; X = N, P, As, Sb) for wide-range bandgap engineering》为题发表在国际期刊 《Physical Chemistry Chemical Physics (PCCP)》上。
二维MoSi₂N₄自 2020 年被实验成功制备以来，因其优异稳定性、高迁移率以及独特的七层原子结构而受到广泛关注。然而，现有研究主要集中于氮化物体系，对于更广泛的MSi₂X₄家族中多体电子效应如何随化学组分演化，仍缺乏系统理解。
在本工作中，研究团队基于第一性原理计算与GW多体微扰理论，对MSi₂X₄家族进行了系统研究，揭示了二维厚层半导体中电子关联、介电屏蔽与结构相变之间的深层联系。研究发现，当阴离子由N逐渐替换为更重的P、As、Sb时，体系基态会从传统α相转变为新的γ相结构，同时材料的电子结构也发生根本变化：由间接带隙普遍转变为K点直接带隙。
更重要的是，研究首次系统揭示了该材料家族中的“多体重整化塌缩”现象。对于MoSi₂N₄，GW 准粒子修正超过1eV，表现出显著多体关联效应；而在Sb体系中，该修正下降至约0.2 eV。研究表明，这种变化来源于电子态由“局域弱屏蔽”向“离域强屏蔽”演化：随着重元素引入，p–d杂化增强、电子云更加离域，材料介电屏蔽能力显著提升，从而有效削弱电子-电子相互作用。
研究还发现，通过相结构与化学组分协同调控，MSi₂X₄家族可实现约3.0 eV 的超宽范围带隙调控，覆盖从紫外到近红外波段。特别是P、As、Sb体系兼具直接带隙与较小带隙特征，在红外探测、近红外发光器件以及高速电子器件等方向展现出重要应用潜力。
此外，该工作还提出了一个具有实际意义的重要计算结论：对于具有较强介电屏蔽的重元素二维体系，传统DFT-PBE方法已能够较好逼近GW结果，这意味着未来可利用低成本第一性原理方法实现大规模高通量二维材料筛选。
该研究不仅深化了对二维厚层半导体多体电子行为的理解，也为新型二维光电材料的理性设计提供了新的理论框架。
论文第一作者为信阳师范大学青年教师杨亚博士与南通大学王鑫博士，通讯作者为南方科技大学阮毓荣博士、冯涛副研究员和吴亚北副研究员。
Yang Yang1, Xin Wang1, Li Sun, Yurong Ruan*, Tao Feng*, and Yabei Wu*
Tailoring the Many-Body Effects and Phase Configurations in Monolayer MSi2X4 (M=Mo, W; X=N, P, As, Sb) for Wide-Range Bandgap Engineering.
Physical Chemistry Chemical Physics 28, 8856-8863 (2026) [pdf version]