GeS/MoSX(X=O,S,Se,Te)异质结电子结构及光学性能的第一性原理研究

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石墨烯可以从石墨剥离出来,不仅改变了人们原先对二维材料的认知,同时由于其拥有优异的导热、导电及力学性能被广泛关注。但是,人们随后发现无带隙的石墨烯不适用于做光电器件。之后,众多令人兴奋的二维材料相继被发现,最典型的有Mo S2、黑磷等。二维材料因独特的二维结构而具有独特的特点,使其在众多领域备受青睐,如催化、光伏、气敏、晶体管等领域,涉及到我们日常生活中的能源、环境、科技等问题。Mo S2从诞生那天起一直都是二维材料中的佼佼者,是继石墨烯后最受欢迎的二维材料之一。而黑磷由于在空气中的稳定性问题阻碍了器件的商业化应用。近几年来,类黑磷结构的Ⅳ族单硫族化合物由于其结构稳定、资源丰富、环境友好等优点开始受到人们的关注。随着人们对材料性能的要求越来越高,单一的二维材料难以更好的满足器件的小型化及多功能化的应用需求,将不同的二维材料堆叠在一起构成的范德华异质结,在保留单一材料优良性能的同时某些性能还得到提高,甚至发挥二者的协同作用展现出新的功能。异质结已逐渐成为二维材料研究的一个主流方向。据我们调研,Mo S2与Ⅳ族单硫族化合物中Ge Se、Sn S、Sn Se构成的异质结已在相关领域中被报道,并表现出优异的性能。然而我们发现单层Ge S与单层Mo S2构成的异质结无论在实验上还是在理论计算上未曾被报道。Ge S/Mo S2异质结的能带排列情况及光学性质还有待研究。此外,通过Se替换Mo S2一层S原子而形成的奇特材料—Mo SSe,由于破坏了面内对称性,而产生垂直偶极子并具有强的Rashba自旋轨道相互作用,近几年来开始引起很多研究者的关注。随后Mo SO、WSSe及WSe2/WSSe异质结在实验上被成功制备,然而其理论方面的研究仍然缺乏。异质结能带排列情况、界面间电子转移情况以及其光吸收系数大小对器件的光电性能至关重要,是分析其应用的基础。本论文采用基于密度泛函理论的第一性原理模拟软件Quantum ATK对Ge S/Mo S2及Ge S/Mo SX(X=O,Se,Te)异质结的电子结构及光学性能进行计算,其中Ge S/Mo S2异质结更是详细计算了其在不同界面间距、应变、电场下的相关结果。得出以下主要结论:计算表明,Ge S/Mo S2异质结是Ge S的导带底和价带顶分别高于Mo S2的导带底和价带顶的II型异质结。进一步研究界面间距、应变和外电场对该异质结的影响。发现界面间距的改变主要影响电子转移,压缩界面间距有利于电子转移。应变主要影响光吸收系数。拉伸应变由于减小了Mo S2的带隙,从而大幅提高异质结在可见光段的光吸收系数。压缩应变由于增大了Mo S2的带隙,从而不利于异质结的光吸收。外电场可以改变异质结类型为Ge S价带顶高于Mo S2导带底的Ⅲ型异质结,还可将异质结转为Mo S2的导带底和价带顶分别高于Ge S的导带底和价带顶的II型异质结,并且对界面间电子转移方向起决定性作用。对于Ge S/Mo SX(X=O,Se,Te)异质结,我们构建了PA型和VA型两种堆叠模型记为Ge S/Mo SX_PA(VA)。研究表明:Ge S/Mo SO是Ge S价带顶高于Mo SO导带底的Ⅲ型异质结。Ge S/Mo SSe是Ge S的导带底和价带顶分别高于Mo SSe的导带底和价带顶的Ⅱ型异质结。Ge S/Mo STe_PA是Mo STe的导带底低于Ge S而价带顶高于Ge S的Ⅰ型异质结,Ge S/Mo STe_VA是Mo STe导带底和价带顶分别高于Ge S导带底和价带顶的Ⅱ型异质结。
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