Using density functional theory coupled with Boltzmann transport equation with relaxation time approximation, we investigate the electronic structure and predict the charge mobility for a new carbon allotrope, the graphdiyne for both the sheet and nanoribbons. It is shown that the graphdiyne sheet is a semiconductor with a band gap of 0.46 eV. The calculated in-plane intrinsic electron mobility can reach the order of 10(5) cm(2)/(V s) at room temperature, while the hole mobility is about an order of magnitude lower.

Band gap engineering of atomically thin two-dimensional (2D) materials is the key to their applications in nanoelectronics, optoelectronics, and photonics. Here, for the first time, we demonstrate that in the 2D system, by alloying two materials with different band gaps (MoS2 and WS2), tunable band gap can be obtained in the 2D alloys (Mo1–xWxS2 monolayers, x = 0–1). Atomic-resolution scanning transmission electron microscopy has revealed random arrangement of Mo and W atoms in the Mo1–xWxS2 monolayer alloys. Photoluminescence characterization has shown tunable band gap emission continuously tuned from 1.82 eV (reached at x = 0.20) to 1.99 eV (reached at x = 1). Further, density functional theory calculations have been carried out to understand the composition-dependent electronic structures of Mo1–xWxS2 monolayer alloys.

We summarize our recent progresses in developing first-principles methods for predicting the intrinsic charge mobility in carbon and organic nanomaterials, within the framework of Boltzmann transport theory and relaxation time approximation. The electron–phonon couplings are described by Bardeen and Shockley's deformation potential theory, namely delocalized electrons scattered by longitudinal acoustic phonons as modeled by uniform lattice dilation. We have applied such methodology to calculating the charge carrier mobilities of graphene and graphdiyne, both sheets and nanoribbons, as well as closely packed organic crystals. The intrinsic charge carrier mobilities for graphene sheet and naphthalene are calculated to be 3 × 105 and ∼60 cm2 V−1 s−1 respectively at room temperature, in reasonable agreement with previous studies. We also present some new theoretical results for the recently discovered organic electronic materials, diacene-fused thienothiophenes, for which the charge carrier mobilities are predicted to be around 100 cm2 V−1 s−1.

We show here that the carrier mobility in the novel sp-sp(2) hybridization planar 6,6,12-graphyne sheet should be even larger than that in the graphene sheet. Both graphyne and graphene exhibit a Dirac cone structure near the Fermi surface. However, due to the sp-sp(2) hybridization forming the triple bonds in graphyne, the electron-phonon scattering is reduced compared with that of graphene. The carrier mobility is calculated at the first-principles level by using the Boltzmann transport equation coupled with the deformation potential theory. The intrinsic mobility of the 6,6,12-graphyne is 4.29 × 10(5) cm(2) V(-1) s(-1) for holes and 5.41 × 10(5) cm(2) V(-1) s(-1) for electrons at room temperature, which is found to be larger than that of graphene (∼ 3 × 10(5) cm(2) V(-1) s(-1)).

First-principles density functional theory coupled with deformation potential calculations indicate a strong width-dependent carrier mobility: for an armchair graphene ribbon whose width (i.e., number of carbons along the edge) is N = 3k, the room-temperature electron mobility is calculated to be approximately 10(6) cm(2) V(-1) s(-1) and the hole mobility approximately 10(4) cm(2) V(-1) s(-1), while for N = 3k + 1 or 3k + 2, the hole mobility is calculated to be 4-8 x 10(5) cm(2) V(-1) s(-1) and the electron mobility approximately 10(4) cm(2) V(-1) s(-1). Such alternating behavior is absent in zigzag-type graphene.

MOlecular MAterials Property Prediction Package (MOMAP) is a software toolkit for molecular materials property prediction. It focuses on luminescent properties and charge mobility properties. This article contains a brief descriptive introduction of key features, theoretical models and algorithms of the software, together with examples that illustrate the performance. First, we present the theoretical models and algorithms for molecular luminescent properties calculation, which includes the excited-state radiative/non-radiative decay rate constant and the optical spectra. Then, a multi-scale simulation approach and its algorithm for the molecular charge mobility are described. This approach is based on hopping model and combines with Kinetic Monte Carlo and molecular dynamics simulations, and it is especially applicable for describing a large category of organic semiconductors, whose inter-molecular electronic coupling is much smaller than intra-molecular charge reorganisation energy.

Carbon dots (CDs) are relatively new and one of the most propitious nanomaterials ever known to humanity, primarily consisting of a carbonized carbon core with heteroatoms in organic functional groups attached. CDs show various fascinating properties, such as tunable excitation/emission, chemical inertness, photostability, low toxicity, good biocompatibility, ease of handling, and eco-friendliness. Due to the anomalous optical and chemical properties of the CDs, they have a wide range of applications in the fields of bioimaging, biosensing, photocatalysis, optoelectronics, etc. In this Review, we intend to cover the many strides in CDs chemistry, which is an emerging paradigm, in conjunction with the most recent discoveries of CDs with near-infrared fluorescence, phosphorescence, electroluminescence, chirality, and antibacterial activity. Our main emphasis will be on the contemporary evolution in synthetic strategies, optical properties, and biomedical applications of CDs in nanomedicine and nanotheranostics.

The two-dimensional Ruddlesden-Popper (RP) phases are an important class of halide perovskites with versatile optoelectronic properties. So far, only organic-inorganic hybrid RP phases involving long organic spacers were reported in this class. Here, we report an all-inorganic RP phase lead halide perovskite, Cs2PbI2Cl2 (1, I4/ mmm space group; a = 5.6385(8) Å, c = 18.879(4) Å), synthesized by a solid-state method. The compound exhibits a band gap of Eg ∼ 3.04 eV and photoconductivity. We find an anomalous band gap evolution in Cs2Pb1- xSn xI2Cl2 solid solutions. Our combined density functional theory and experimental study supports the thermodynamically stable nature of 1 as a unique ordered phase in the Cs2PbX4 (X = Cl, Br, I) system. The calculations suggest that 1 is a direct bandgap semiconductor with relatively small effective carrier mass along the in-plane direction, consistent with the experimentally observed in-plane UV-light photoresponse. We also demonstrate that 1 is promising for radiation detection capable of α-particle counting. Moreover, 1 shows markedly ambient and thermal stability.