二维GaS及Janus Ga2STe范德华异质结光电性质的调控.pdf

摘要

石墨烯的问世开启了二维材料研究领域的新篇章。目前已经有数千种二维材料被

发现，包括过渡金属硫族化合物，六方氮化硼，锗烯，III-VI族化合物等，其具有独特

的结构特点和卓越的光电性能，在晶体管、自旋电子器件、超级电容器、太阳能光伏

电池、传感器等领域有广泛的应用前景。然而，单一的二维材料无法满足各领域日益

增长的应用需求。例如，石墨烯缺乏带隙，阻碍了它在光电子领域的发展。MoS2相对

较低的电子迁移率限制了它的应用。目前，依靠几层二维材料堆叠所形成的范德华异

质结既能综合单个二维材料的优点，还能表现出单一材料所不具备的优异性能，极大

地拓宽了二维材料的应用范围。基于二维范德华异质结的能带排列在电子和光学特性

的研究中起着重要作用，本文基于第一性原理计算方法首先研究了二维Janus

GaSTe/MoSiN范德华异质结的能带结构与调控机制，接着又研究了m-GaS/n-

224

XT(X=Mo,W)多层范德华异质结的电子性质与光电应用，主要内容如下：

2

(1)考虑到二维MoSiN和JanusGaSTe材料的优异性能，构建了基于S和Te界

242

面的GaSTe(GaTeS)/MoSiN范德华异质结，并对异质结施加电场、层间耦合和双轴

2224

应变的调控手段，研究受界面控制的异质结能带排列方式的变化规律。结果表明，本

征情况下，GaTeS/MoSiN和GaSTe/MoSiN范德华异质结的能带排列分别为II型和

224224

I型。此外，增强层间耦合的调控可以使S侧范德华异质结的能带排列从II型转换为I

型，Te侧则从I型变为II型。特别是，外加电场和双轴应变可以诱导两种范德华异质

结的能带排列在I型、II型和III型之间灵活切换。这些结果表明，受界面控制的Janus

GaSTe(GaTeS)/MoSiN范德华异质结可用于设计多功能纳米器件。

2224

(2)将GaS和MoTe(WTe)垂直堆垛，设计了m-GaS/n-MoTe(WTe)多层范德华异

2222

质结。通过全局结构有哪些信誉好的足球投注网站的方法寻找到最稳定的堆垛方式，考虑电场、应变和层厚组

合m/n的调控方法对异质结的能带排列和光电应用的影响。对于具有直接带隙和I型排

列的GaS/MoTe(WTe)双层范德华异质结，压缩应变和正向电场调控可以使能带排列

22

由I型向II型转变。其中m-GaS/n-WTe2多层范德华异质结在GaS层数为1L(m=1)时呈

I型排列，由于量子限制效应在m1时呈II型排列。研究还发现，GaS/MoTe2范德华

异质结可作为高效太阳能电池，能量转换效率高达27%。此外，多层范德华异质结的

光响应（外量子效应）也从0.048(8%)提高到0.18A/W(42%)。这些结果表明，m-

GaS/n-MoTe(WTe)多层范德华异质结的可重构特性为高效太阳能电池和光电探测器的

22

研究与发展起到了意义非凡的推动作用。

关键词：二维材料，范德华异质结，能带排列，光电应用

ABSTRACT

Theadventofgraphenehasopenedanewchapterinthefieldoftwo-dimensionalmaterialsresearch.

Atpresent,thousandsoftwo-dimensionalmaterialshavebeenfound,transitionmetaldichalcogenides,h-

BN,germanene,andgroupIII-Vcompoundareincluded.Theyhav