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二维Ⅳ-Ⅵ层状半导体及其Janus异质结的光电性能研究.pdf

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摘要

二维材料,尤其是二维半导体材料,具备优异的迁移率和出色的光吸收等光电性能,

被期望应用在电子和光电子等领域,因而得到了快速的发展和壮大。由二维材料堆叠形

成的范德华异质结能够集成各组分材料的优点,进而极大地拓展了二维材料的应用领域。

IV-VI族层状半导体独特晶格结构的低对称性决定其拥有优良的应变及压电性能,同时

这类材料也具有较高的可见光区域光吸收系数和光伏转换效率,是光电子和光伏器件等

领域的热门候选材料。本文以几种二维IV-VI族层状半导体MX和MX2(M=Ge、Sn;

X=S、Se、Te),Janus结构MXY和MXY(MGe,Sn;XYS,Se)及由这些材料组

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成的异质结为研究对象,基于第一性原理计算对其电子结构和光电性能进行了研究。主

要结果如下:

(1)系统地研究了少层和块体IV-VI半导体MX和MX2(M=Ge,Sn;X=S,Se,

Te)的带阶变化。数值结果表明:对于具有共同阳离子的体系,MX的价带阶随着阳离

子M的原子序数增加而减小,MX2的价带阶几乎没有变化;对于具有共同阴离子的体

系,MX和MX2的价带阶都随着M的原子数增加而减少,且MX的价带阶变化较为明

显。随后,通过晶体对称性、能带耦合机制、原子势模型和紧束缚理论理解并分析了IV-

VI族层状半导体MX和MX2中带阶变化的根本原因。阴离子X的p态和阳离子M的s

态之间的耦合对带边能级位置的变化起主要作用,短键长和低未扰动能量差将导致较强

的s-p耦合。此外发现GeX2体系的带边能级满足水的氧化还原电位,在光催化水分解

领域具有好的应用前景;层数调制可诱导GeSe/SnS和GeSe/GeS范德华异质结的能带

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排列由I型变化为II型,因此可期望定制不同层数的异质结,使其适应发光和光伏等不

同器件的应用需求。这些发现预测了IV-VI族层状半导体MX和MX2在光伏器件和功

能化量子器件领域的应用可能性和前景。

(2)基于二维材料构建的范德华异质结已经成为设计新材料和实现材料新功能的

重要途径,我们构建了二维JanusGeSeTe/SnSSe范德华异质结,研究了不同界面堆垛

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方式、层间距离等外部因素对能带结构和光吸收等性质的影响。研究表明:不同的界面

堆垛方式可以显著影响异质结的电子能带结构,并导致不同的带隙值。与独立的二维

JanusGeSeTe和SnSSe单层相比,GeSeTe/SnSSe范德华异质结在可见光—紫外光区

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域内光吸收显著增强,吸收光谱变宽,并且更集中在紫外区域。此外,层间距、面内双

轴应变和电场可影响异质结的能带排列类型发生变化,实现在I型和II型之间的转换。

进一步的研究发现Se-S界面构型的GeSeTe/SnSSe范德华异质结拥有高达约21.16%的

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功率转换效率,可作为高效太阳能电池和光电器件等吸光材料的候选材料。该工作表明

二维JanusGeSeTe/SnSSe范德华异质结在光电子器件中具有很好的应用前景。

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(3)理论上构建了二维Janus结构的SnSSe/Phosphorene范德华异质结,通过计算

确定了S原子界面和Se原子界面可以分别导致断裂的III型和交错的II型能带排列,

并揭示了形成这两种能带排列类型背后的物理机制。此外,还探讨了层间距离等其他外

部因素对异质结能带结构的影响。结果显示:SnSSe/Phosphorene范德华异质结的能带排

列类型对外部电场较为敏感,较小的正向外加电场可导致其排列类型出现II型,III型,

甚至是I型,而反向外加电场只能改变III型异质结的能量隧穿窗口大小

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