新型二維半導(dǎo)體異質(zhì)結(jié)GeSe/GeS光電性質(zhì)的理論研究*

王玉平

新鄉(xiāng)學(xué)院 物理與電子工程學(xué)院，河南 新鄉(xiāng) 453000

0 引言

近十年，不同類型的二維半導(dǎo)體材料相繼得到實(shí)驗(yàn)和理論研究，這些新型二維半導(dǎo)體材料具備金屬、半導(dǎo)體和絕緣體的性質(zhì)，并表現(xiàn)超越石墨烯的光電特性[1-2]。因此，二維半導(dǎo)體材料被期望應(yīng)用在新一代高性能納米電子和光電子器件領(lǐng)域。

在眾多新型二維半導(dǎo)體材料中，二維半導(dǎo)體材料GeS和GeSe由于自然界含量豐富、無(wú)毒和具備合理帶隙等優(yōu)點(diǎn)受到人們的高度關(guān)注。研究顯示，該材料具有正交層狀結(jié)構(gòu)，層與層之間通過較弱的范德瓦爾斯力相互作用。實(shí)驗(yàn)證明，二維GeS和GeSe具有較高的光響應(yīng)度和較快的光響應(yīng)時(shí)間，多層GeS基光探測(cè)器也具有較高的外量子效率[3]。另外，二維GeS和GeSe中存在明顯的各向異性壓電系數(shù)，且應(yīng)變對(duì)各向異性的電子結(jié)構(gòu)和光學(xué)性質(zhì)也有著明顯不同的影響[4]。研究人員采用第一性原理方法研究了單層GeS材料，發(fā)現(xiàn)其有較高的激子結(jié)合能[5]。

1 二維半導(dǎo)體材料概述

二維半導(dǎo)體材料包括石墨烯和過渡金屬二硫族化合物，由于具有優(yōu)良的物理光電性能而受到廣泛關(guān)注。其光電性能包括較高的載流子遷移率、可彎曲性、完全透光性、良好的場(chǎng)效應(yīng)和光敏、氣敏性能等，二維半導(dǎo)體材料在未來(lái)的光電子領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。近年來(lái)，由不同二維半導(dǎo)體材料疊加而成的范德瓦爾斯異質(zhì)結(jié)也逐漸成為人們的研究熱點(diǎn)，異質(zhì)結(jié)層間由弱范德瓦爾斯作用結(jié)合，能帶帶階通常為Ⅱ型結(jié)構(gòu)，除了具有單一組分的光電性質(zhì)，還可以表現(xiàn)出異質(zhì)結(jié)獨(dú)特的物理性能和器件功能。文章主要采用基于密度泛函理論的第一性原理方法，研究了多種二維半導(dǎo)體材料及范德瓦爾斯異質(zhì)結(jié)的物理結(jié)構(gòu)與光電性能，并探索了多種外界條件對(duì)其電子結(jié)構(gòu)的影響，進(jìn)一步預(yù)測(cè)了其在光電子器件中的應(yīng)用價(jià)值。

2 模型和計(jì)算方法

研究使用第一性原理模擬軟件包VASP。VASP（Vienna Ab-initio Simulation Package）是基于DFT的最常用的第一性原理計(jì)算軟件，由維也納大學(xué)Hafner小組開發(fā)，是進(jìn)行電子結(jié)構(gòu)計(jì)算的量子力學(xué)-分子動(dòng)力學(xué)模擬軟件包[6]，文章中的所有計(jì)算模擬全部采用VASP軟件包。采用PAW勢(shì)[7]描述價(jià)電子與原子實(shí)的關(guān)系，采用GGA[8]、Monkhorst-Pack[9]方法，K-point選用7×6×1，真空能級(jí)為20 ?，以避免層間作用的影響。計(jì)算截?cái)嗄転?50 eV，能量的收斂精度為10-5eV，能量收斂標(biāo)準(zhǔn)為0.001 eV。

3 研究過程與結(jié)果討論

3.1 構(gòu)型穩(wěn)定性

使用二維半導(dǎo)體材料GeS和GeSe搭建不同構(gòu)型的異質(zhì)結(jié)GeS/GeSe，如圖1所示，通過結(jié)構(gòu)的優(yōu)化與靜態(tài)自洽，得到二者的能量分別為-35.01 eV和-36.28 eV。選用能量穩(wěn)定的第二種異質(zhì)結(jié)進(jìn)行后續(xù)的性質(zhì)計(jì)算與分析。

圖1 GeS/GeSe的結(jié)構(gòu)示意圖

3.2 能帶與態(tài)密度

GeS/GeSe的能帶圖如圖2所示，可以看出GeS/GeSe為間接帶隙二維半導(dǎo)體材料。

圖2 GeS/GeSe能帶圖

3.3 Bader電荷分析與功函數(shù)

GeS/GeSe的電荷轉(zhuǎn)移情況如表1所示。

表1 GeS/GeSe的Bader電荷分析

3.4 應(yīng)變對(duì)GeS/GeSe材料的作用

對(duì)GeS/GeSe材料施加正向與負(fù)向的應(yīng)變，發(fā)現(xiàn)材料的帶隙產(chǎn)生了較大的改變，如圖3所示。施加負(fù)向-1%～-5%的應(yīng)變，帶隙由原來(lái)的0.978 7 eV向0.027 2 eV變化，每節(jié)變化趨勢(shì)近乎相同；施加正向1%～5%的應(yīng)變，帶隙呈現(xiàn)增加趨勢(shì)，在4%附近時(shí)帶隙達(dá)到最大，為1.37 7 eV，之后有減小的趨勢(shì)。

圖3 GeS/GeSe帶隙隨應(yīng)變的變化

能帶及態(tài)密度隨-5%～5%的應(yīng)變的變化如圖4、圖5所示。分析-5%～5%應(yīng)變下的能帶，正向的應(yīng)變會(huì)導(dǎo)致導(dǎo)帶軌道能量提高，從而使帶隙增加；而負(fù)向的應(yīng)變主要影響導(dǎo)帶的軌道能級(jí)，但同時(shí)價(jià)帶也有不明顯的變化[10-11]。

圖4 GeS/GeSe能帶隨應(yīng)變的變化

圖5 GeS/GeSe態(tài)密度隨應(yīng)變的變化

3.5 光吸收

GeS/GeSe光吸收曲線如圖6所示，可以看出GeS/GeSe對(duì)于紫外光線的吸收性能最佳，對(duì)于可見光的吸收也有較大的范圍。施加正向應(yīng)變，GeS/GeSe光吸收曲線產(chǎn)生了紅移，降低了可見光的吸收能力[12]；施加負(fù)向應(yīng)變，GeS/GeSe光吸收曲線產(chǎn)生了藍(lán)移，同時(shí)對(duì)于500 nm和紫外300 nm波長(zhǎng)附近的可見光的吸收能力有比較大的加強(qiáng)，而對(duì)280 nm波長(zhǎng)的吸收能力最弱，在這個(gè)范圍形成了一個(gè)近乎y=x3的函數(shù)關(guān)系曲線。

圖6 GeS/GeSe吸收光譜

4 結(jié)論

GeS/GeSe對(duì)于可見光具有較好的吸收能力，對(duì)于紫外光的吸收能力更加強(qiáng)大，通過應(yīng)變的調(diào)控，還能夠在紫外區(qū)域形成幾個(gè)差異較大的吸收波長(zhǎng)區(qū)域，若利用這些變化，就能夠較好地調(diào)控材料的光吸收性質(zhì)。