As/HfS2范德瓦耳斯异质结电子光学特性及量子调控效应

两种或两种以上的单层材料堆垛成范德瓦耳斯异质结是实现理想电子及光电子器件的有效策略.本文选用As单层及HfS₂单层,采用6种堆垛方式构建As/HfS₂异质结,并选取最稳结构,利用杂化泛函HSE06系统地研究了其电子和光学性质以及量子调控效应.计算发现,As/HfS₂本征异质结为Ⅱ型能带对齐半导体,且相对两单层带隙(>2.0 eV)能明显减小(约0.84 eV),特别是价带偏移(VBO)和导带偏移(CBO)可分别高达1.48 eV和1.31 eV,非常有利于研发高性能光电器件和太阳能电池.垂直应变能有效调节异质结的能带结构,拉伸时带隙增大,并出现间接带隙到直接带隙的转变现象,而压缩时,带隙迅速减少直到金属相发生.外加电场可以灵活地调控异质结的带隙及能带对齐方式,使异质结实现Ⅰ型、Ⅱ型和Ⅲ型之间的转变.此外,As/HfS₂异质结在可见光区域有较强的光吸收能力,且可通过外加电场和垂直应变获得进一步提高.这些结果表明As/HfS₂异质结构在电子器件、光电子器件和光伏电池领域具有潜...     

应力调控BlueP/XTe2(X=Mo,W)范德瓦耳斯异质结电子结构及光学性质理论研究

通过第一性原理计算探讨了蓝磷烯与过渡金属硫化物MoTe₂/WTe₂形成范德瓦耳斯异质结的电子结构和光学性质,以及施加双轴应力对相关性质的影响.计算结果表明,形成BlueP/XTe₂(X=Mo,W)异质结,二者能带排列为间接带隙type-Ⅱ并有较强的红外光吸收,同时屏蔽特性增强.随压缩应力增加,BlueP/XTe₂转变为直接带隙type-Ⅱ能带排列最后转变为金属性;随拉伸应力增加,异质结转变为间接带隙type-Ⅰ能带排列.外加应力也能有效调控异质结的光吸收性质,随压缩应力增加吸收边红移,光吸收响应拓展至中红外光谱区且吸收系数增大;BlueP/MoTe₂较BlueP/WTe₂在中红外至红外光区间表现出更强的光吸收响应;静态介电常数ε1(0)大幅增加.结果表明,压缩应力对BlueP/MoTe₂和BlueP/WTe₂能带排列、光吸收特性均有显著的调控作用,其中BlueP/MoTe₂对调控更敏感,这些特性也使BlueP/XTe₂异质结在窄禁带中红外半导体材料及光电器件具有令人期待的应用价值.     

二维InSe/SnSe2范德华异质结的电子结构和光学特性研究

本文构建了三种不同堆叠形式下的二维InSe/SnSe₂范德华异质结模型,利用基于密度泛函理论的第一性原理方法综合考察了二维InSe/SnSe₂三种不同堆叠情况下的几何构型及稳定性,在此基础上选取具有最稳定性能的构型.该异质结呈现出Ⅱ型能带对齐特征,带隙值为1.118 eV,可以实现电子-空穴的有效分离.另外,相比与单层二维InSe/SnSe₂范德华异质结的光吸收能力达到明显提升,在紫外光范围内吸收系数达到10~6 cm^-1.研究结果将为相关物理实验及机理研究提供理论基础,对二维InSe/SnSe₂范德华异质结在光电器件中的应用具有重要的物理意义.     

铁电极化翻转对硅烯异质结中电子性质的调控

硅烯是硅原子蜂窝状排列构成的二维材料,由于其层内硅原子不在同一平面上而易受到电场等调控,近年来成为理论和实验研究的一个热点.借助于第一性原理计算方法,详细研究了硅烯和二维铁电材料In₂S₃单层材料异质结的堆垛形式和电子结构.计算结果表明,硅烯和In₂S₃可以形成稳定的异质结,In₂S₃衬底的自发铁电极化对硅烯能带有显著调控作用.铁电极化方向向上时,自发极化电场和衬底的共同作用在狄拉克点打开能隙,K和K’点贝利曲率符号相反,对应能谷霍尔效应态.铁电极化方向向下时,硅烯和In₂S₃之间间距变小,费米能级有能带穿过,对应金属态.研究结果对铁电调控硅烯二维异质结提供参考,为硅烯异质结在信息存储领域的应用指明方向.     

电场对PtO2/MoS2范德瓦尔斯异质结电子结构调控

本文利用基于密度泛函理论的第一性原理计算方法研究了外电场对PtO2/MoS2范德瓦尔斯异质结电子结构的调控,发现当层间距d=2.83Å时异质结结构最稳定,且表现为Ⅱ型间接带隙半导体,其带隙为0.68 eV。通过施加垂直平面方向电场可有效调控PtO2/MoS2异质结电子结构,当外电场为-1 V/Å时,发生半导体-金属相变。这些研究结果表明PtO2/MoS2异质结在新型二维材料光电纳米器件方面具有广泛应用前景。     

In2O3/CuO纳米异质结的制备和光催化性质研究

通过溶胶-凝胶结合静电纺丝过程制备了In₂O₃/CuO纳米异质结。XRD和Raman光谱的研究表明,随着前驱物中Cu/In比例的增加,CuO相的含量逐渐增加。吸收光谱研究表明,随着CuO含量的增加,复合纳米结构的可见光吸收明显增强。光催化实验研究结果表明,In₂O₃/CuO纳米异质结具有比单一相的In₂O₃和CuO更强的光催化性能,其主要来源于异质结所导致的增强的光生电子和空穴的分离效率。     

二维BC2 N薄片的结构稳定性和电子性质

采用基于密度泛函理论的第一性原理方法,对二维BC₂N薄片的结构稳定性和电子性质进行了系统的研究.计算了BC₂N化合物16种可能的二维单层结构.对它们的能带结构分析发现,对称性最高的构型与石墨烯一样是一种半金属,而其他二维结构则为有不同带隙的半导体,其中最稳定的构型是带隙值为1.63 eV的直接带隙半导体.对最稳定构型的差分电荷密度分析和Bader分析发现:在最稳定的构型中,C–C键、C–N键、C–B键和B–N键主要以共价键的形式呈现,也具有比较明显的离子性.在应力作用下最稳定构型的单层BC₂N的带隙宽度会发生变化,压缩时带隙变宽,而拉伸时带隙变窄,但仍然为直接带隙半导体. 关键词： 2N')" href="#">BC₂N 单层原子薄片 电子结构 从头计算     

具有可调电学和光学性质的双层和三层Janus Ga2SSe

将二维(2D)层状材料的单层堆叠成双层或者少数层,可以很好的调节其光电性质,为该领域发展提供了新的机遇.本文采用第一性原理方法系统地研究了堆叠层数和堆叠次序对双层和三层Janus Ga₂SSe的电学和光学性质的影响.我们发现这些结构的层间距差别很大,而结合能差异却很小.尽管所有的双层和三层Janus Ga₂SSe具有间接带隙,然而其带隙值和载流子有效质量与堆叠层数和堆叠次序密切相关.此外,在Janus Ga₂SSe中,通过增加层数,可以增强其在可见光和紫外区域的吸收系数.同时,通过控制层间堆叠模式,进一步调制其吸收系数,导致在可见光和近紫外区域产生多个吸收峰.我们的结果为双层和三层Janus III族单硫化合物的可调节电学和光学性质提供了有价值的见解,这表明其可能在纳米电子和光电子器件中有着广阔的应用前景.     

(Cu,N)共掺杂TiO2/MoS2异质结的电子和光学性能:杂化泛函HSE06

在密度泛函理论的基础上,系统地研究了Cu/N（共）掺杂的TiO₂/MoS₂异质结体系的几何结构、电子结构和光学性质.计算发现,TiO₂/MoS₂异质结的带隙相比于纯的TiO₂（101）表面明显变小,Cu/N（共）掺杂TiO₂/MoS₂异质结体系的禁带宽度也明显地减小,这导致光子激发能量的降低和光吸收能力的提高.通过计算Cu/N（共）掺杂TiO₂/MoS₂的差分电荷密度,发现光生电子与空穴积累在掺杂后的TiO₂（101）表面和单层MoS₂之间,这表明掺杂杂质体系可以有效地抑制光生电子-空穴对的复合.此外,我们计算了在不同压力下TiO₂/MoS₂异质结的几何、电子和光学性质,发现适当增加压力可以有效提高异质结的光吸收性能.本文结果表明,Cu/N（共）掺杂TiO₂/MoS₂异质结和对TiO₂/MoS₂异质结加压都能有效地提高材料的光学性能.     

水热法制备In2O3/ZnO异质结及其高的光催化性能

采用简单的两步水热法合成了不同In₂O₃质量比的In₂O₃/ZnO异质结复合材料．通过X射线衍射仪(XRD)、紫外-可见分光光度计(UV-vis)和扫描电子显微镜(SEM)对复合材料的结构、形貌和性能进行了表征．同时还使用UV-vis分光光度计测试了异质结降解罗丹明B(RhB)的光催化活性．实验结果表明,与纯ZnO和In₂O₃相比,In₂O₃的引入将ZnO的吸收光谱扩展到可见光区域,从而提高了其光生电子和空穴的分离．此外,In₂O₃/ZnO异质结在可见光照射对RhB具有较高的光催化活性．5 wt%-In₂O₃/ZnO异质结对RhB的降解率为84.3%,且具有良好的光催化稳定性．In₂O₃/ZnO异质结复合材料在有机染料废水的降解中有更广阔的应用前景．     

过渡金属二硫化物/三卤化铬范德瓦耳斯异质结的反折叠能带

过渡金属二硫化物MX₂/三卤化铬CrX₃组成的范德瓦耳斯异质结能有效操控MX₂的谷极化,在能谷电子学中有广泛的应用前景.本文结合第一性原理和k投影能带反折叠方法比较研究了MoSe₂/CrI₃, MoSe₂/CrBr₃和WS₂/CrBr₃三种磁性范德瓦耳斯异质结的堆垛和电子结构,探索了体系谷极化产生的物理机理.计算了异质结不同堆垛的势能面,确定了稳定的堆垛构型,阐明了时间/空间反演对称破缺对体系电子结构的影响.由于轨道杂化,磁性异质结的导带情况复杂,且MoSe₂/CrI₃体系价带顶发生明显变化,不能与单层MX₂直接对比.而借助于反折叠能带,计算清晰揭示了CrX₃对MX₂电子结构的影响,定量地获得了MX₂的能谷劈裂,并发现层间距和应变可以有效调控能谷劈裂.当层间距减...     

CuPc/MoS2范德瓦耳斯异质结荧光特性

在众多二维材料中,过渡金属硫族化合物由于其具有独特的光电特性深受广大研究者喜爱.近年来,由二维过渡金属硫族化合物材料与有机半导体结合构建的范德瓦耳斯异质结受到极大的关注.这种异质结可以利用两者的优势对光电特性等性能进行调控,为许多基础物理和功能器件的构建提供了研究思路.本文构建了酞菁铜/二硫化钼(CuPc/MoS₂)范德瓦耳斯异质结,并对其荧光特性进行了表征和分析.与单层MoS₂相比较发现,引入有机半导体CuPc后,异质结当中发生了明显的荧光淬灭现象.通过荧光分析,该现象可以用引入CuPc后异质结中负三激子与中性激子之比增加来解释.此外,通过第一性原理计算分析发现,引入CuPc会在MoS₂的禁带中引入中间带隙态,使得CuPc与MoS₂之间产生非辐射复合,这同样会导致荧光淬灭的发生.CuPc/MoS₂异质结的荧光淬灭现象可以为同类型范德瓦耳斯异质结的光电特性调控研究提供参考和思路.     

直接带隙半导体In2(PS3)3单层结构与电子特性的第一性原理研究

高载流子迁移率和可调直接带隙是低维电子器件应用的两个关键特性.但目前发现的此类二维材料稀少.鉴于此在第一性原理计算的基础上,本文系统研究了In₂(PS₃)₃单层的稳定性、电子结构性质和机械性质.研究结果表明,In₂(PS₃)₃单层是具有直接带隙的半导体材料(1.58 eV).在-3%到3%应变下,In₂(PS₃)₃单层的带隙是可以调节的(1.3～1.8 eV).声子谱、分子动力学和弹性常数的计算结果表明,In₂(PS₃)₃单层是热力学、动力学和机械稳定的.此外,In₂(PS₃)₃单层的剥离能(0.21 J m^-2)小于石墨烯的剥离能(0.36 J m^-2),有望像石墨烯一样机械剥离得到.这些优异的的性能使得In     

二维MoSi2N4WSe2异质结的第一性原理研究

实验上新合成的MoSi2N4（MSN）由于其独特的七原子层结构和电子特性引起了人们的广泛关注。本文搭建了一种由二维MSN与二维WSe2（WS）垂直堆垛而成的二维MSN/WS异质结,其表现出直接间隙半导体和I型能带排列的特性,具有1.46 eV的带隙。在异质结界面处存在一个由电荷耗尽层MSN指向电荷积累层WS微弱的内建电场。最后,通过施加双轴应变对二维MSN/WS异质结进行调控。发现在正双轴应变的作用下,MSN/WS异质结保持了原来直接带隙半导体和I型能带排列特性;在负双轴应变作用下,MSN/WS异质结由原来的直接带隙半导体转变为间接带隙半导体,当施加的负双轴应变达到-6%与-8%时,I型能带排列转变为Ⅱ型能带排列。     

N掺杂和N-V共掺杂锐钛矿相TiO2的第一性原理研究

采用基于密度泛函理论的投影缀加平面波方法和广义梯度近似加Hubbard参数的似近,研究了锐钛矿相TiO₂,N掺杂TiO₂和N-V共掺杂TiO₂体系的基态原子构型、电子结构.结果表明,N掺杂后,其晶胞体积比末掺杂时要略微增大,基态构型并未发生明显变化,而N-V共掺杂时,对称性被破坏,V原子向N原子附近靠近.计算得到的锐钛矿相TiO₂带隙E_gap为3.256 eV,与实验值3.23 eV非常接近.N掺杂TiO₂带隙降低了0.4 eV,而N-V共掺杂带隙降低至2.555 eV.此外,N-V共掺杂会在价带顶和导带底之间形成受主和施主能级,这种能级对光生电子-空穴对的分离是非常有利的,降低了再次复合的概率.因此,N-V共掺杂TiO₂可以有效地提升TiO₂作为光催化剂的催化能力.     

Z型InN/SnS2范德华异质结增强光催化水分解

寻找高效的光催化剂分解水制氢是解决能源危机和环境问题的有效途径之一.基于第一性原理,对InN/SnS₂异质结的几何结构、电子结构和光催化水分解性能进行研究.结果表明InN/SnS₂异质结是具有的Ⅱ型能带排列半导体材料可以有效地分离电子空穴对.在光激发下,较小的带隙以及合适的内建电场使得光生载流子迁移路径成“Z”字型,这保留了InN/SnS₂异质结强氧化还原能力.光生电子在InN的导带底累积并发生析氢反应,而积累在SnS₂上的光生空穴使析氧反应自发发生.它们的带边位置都跨越了水的氧化还原电位,证明能够实现水的完全分解.因此,InN/SnS₂异质结有希望成为高效光解水催化剂.     

应力调控对单层TiOCl2电子结构及光学性质的影响

基于密度泛函理论的第一性原理计算,对单层TiOCl₂的电子结构、输运性质和光学性质进行了理论研究.对单层TiOCl₂材料的声子谱、分子动力学和弹性常数的计算结果表明,该材料在常温下能稳定存在,并具有较好的动力学、热力学和机械稳定性.电子结构分析表明,单层TiOCl₂是一种间接窄带隙半导体(能隙为1.92 eV).在应力调控下,单层TiOCl₂材料的能带结构、输运性质和光学性质均发生明显变化.沿a方向施加-4%的收缩应力后,单层TiOCl₂由间接带隙变为直接带隙,带隙减小至1.66 eV.同时TiOCl₂还表现出明显的各向异性特征,电子沿b方向传输(迁移率约为803 cm~2·V^-1·s^-1),空穴则沿a方向传输(迁移率约为2537 cm~2·V^-1·s^-1).此外,施加收缩应力还会使单层TiOCl₂材料的光吸收率、反射率和透射率的波峰(谷)发生红移...     

MoS2/MoTe2垂直异质结的电荷传输及其调制

二维材料异质结器件具有纳米级厚度及范德瓦耳斯接触表面,因而表现出独特的光电特性.本文构建了栅压可调的MoS₂/MoTe₂垂直异质结器件,利用开尔文探针力显微镜(KPFM)技术结合电输运测量,揭示了MoS₂/MoTe₂异质结分别在黑暗和532 nm激光照射条件下的电荷输运行为,发现随着栅压的变化异质结表现出从n-n⁺结到p-n结的反双极性特征.系统地解释了MoS₂/MoTe₂异质结的电荷输运机制,包括n-n⁺结和p-n结在正偏和反偏下条件下的电荷输运过程、随栅压变化而发生的转变的结区行为、接触势垒对电荷输运的影响、n-n⁺结和p-n结具有不同整流特征的原因、偏压对带间隧穿的重要作用及光生载流子对电学输运行为的影响等.本文所使用的方法可推广到其他二维异质结体系,为提高二维半导体器件性能及其应用提供了重要的参考和借鉴.     

Ge20Sb15Se65薄膜的热致光学特性变化研究

采用磁控溅射法制备了Ge₂₀Sb₁₅Se₆₅薄膜, 研究热处理温度(150—400 ℃)对薄膜光学特性的影响. 通过分光光度计、X射线衍射仪、显微拉曼光谱仪对热处理前后薄膜样品 的光学特性和微观结构进行了表征, 并根据Swanepoel方法以及Tauc公式分别计算了薄膜折射率色散曲线和光学带隙等参数. 结果表明当退火温度(T_a)小于薄膜的玻璃转化温度(T_g)时,薄膜的光学带隙(E_g^opt)随着退火温度的增加由1.845 eV上升至1.932 eV, 而折射率由2.61降至2.54; 当退火温度大于薄膜的玻璃转化温度时,薄膜的光学带隙随退火温度的增加由1.932 eV降至1.822 eV, 折射率则由2.54增至2.71. 最后利用Mott和Davis提出的非晶材料由非晶到晶态的结构转变模型对结果进行了解释, 并通过薄膜XRD和Raman光谱进一步验证了结构变化是薄膜热致变化的重要原因. 关键词： 20Sb₁₅Se₆₅薄膜')" href="#">Ge₂₀Sb₁₅Se₆₅薄膜 热处理 光学带隙 折射率     

钙钛矿CsPbX3(X=Cl,Br,I)与五环石墨烯范德瓦耳斯异质结的界面相互作用和光电性能的第一性原理研究

异质结工程是一种提高半导体材料光电性能的有效方法.本文构建了全无机钙钛矿CsPbX₃(X=Cl,Br,I)和二维五环石墨烯penta-graphene(PG)的新型范德瓦耳斯(vdW)异质结,利用第一性原理研究了CsPbX₃-PG异质结不同界面接触的稳定性,进而计算了稳定性较好的Pb-X接触界面异质结的电子结构和光电性能.研究结果表明,CsPbX₃-PG(X=Cl,Br,I)异质结具有II型能带排列特征,能级差距由Cl向I逐渐缩小,具有良好的光生载流子分离能力和电荷输运性质.此外,研究发现CsPbX₃-PG异质结能有效拓宽材料的光吸收谱范围,并能显著提高其光吸收能力,尤其是CsPbI₃具有最优的光吸收性能.经理论估算,CsPbX₃-PG的光电功率转换效率(PCE)可高达21%.这些结果表明,全无机金属卤化物钙钛矿CsPbX₃-PG异质结可以有效地提高半导体材料的光电性能,预期在光电转换器件中具有重要的应用潜力.