新型二維拉脹材料SiGeS 的理論預(yù)測(cè)及其光電性質(zhì)*

祝裕捷 蔣濤 葉小娟 劉春生

(南京郵電大學(xué)電子與光學(xué)工程學(xué)院,南京 210023)

二維材料由于其在力學(xué)、電學(xué)以及光學(xué)等領(lǐng)域的潛在應(yīng)用而受到廣泛關(guān)注.基于第一性原理計(jì)算,通過(guò)有序地排列SiH3SGeH3 的Si-S-Ge 骨架,設(shè)計(jì)了一種全新的二維材料SiGeS.單層SiGeS 具有良好的能量、動(dòng)力學(xué)以及熱力學(xué)穩(wěn)定性.SiGeS 具有非常罕見(jiàn)的負(fù)泊松比.此外,單層SiGeS 是間接帶隙半導(dǎo)體,其帶隙值為1.95 eV.在應(yīng)變的作用下,SiGeS 可轉(zhuǎn)變?yōu)閹斗秶鸀?.32—1.58 eV 的直接帶隙半導(dǎo)體,可被應(yīng)用在光學(xué)或半導(dǎo)體領(lǐng)域.同時(shí),本征SiGeS 擁有優(yōu)異光吸收能力,其最高光吸收系數(shù)可達(dá)約105 cm–1,吸收范圍主要在可見(jiàn)光到紫外波段.在應(yīng)變下,光吸收范圍可覆蓋到整個(gè)紅外波段.這些有趣的性質(zhì)使得SiGeS 成為一種多功能材料,有望被用于納米電子、納米力學(xué)以及納米光學(xué)等領(lǐng)域.

1 引言

自石墨烯[1]被成功制備以來(lái),二維材料受到了廣泛關(guān)注,其中包括與石墨烯同族的其他二維狄拉克半金屬(硅烯、鍺烯和錫烯)[2?4]、III-V 族化合物(h-BN、AlN 和GaN)[5?7]、二維過(guò)渡金屬碳化物和碳氮化物(MXenes)[8]、碳氮化合物(C2N、g-C3N4和g-C6N6)[9?11]、過(guò)渡金屬二硫化物(transition metal dichalcogenides,TMDCs)[12]、III 族單硫化物(BS、BSe、GaS 和GaSe)[13,14]以及黑磷烯(black phosphorene,BP)[15]等.其中二維狄拉克半金屬具有無(wú)質(zhì)量的狄拉克費(fèi)米子和高電導(dǎo)率,h-BN 為良好的絕緣材料,碳氮化合物和III 族單硫化物適合用于光催化領(lǐng)域,MXenes 擁有良好的導(dǎo)電性,TMDCs擁有合適的帶隙以及良好的捕光性能,BP 擁有合適的帶隙以及罕見(jiàn)的負(fù)泊松比[16].這些有趣的性質(zhì)使得二維材料在電子、光學(xué)、機(jī)械等領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景.然而,這些材料的缺點(diǎn)也極大限制它們?cè)陔娮釉O(shè)備中的實(shí)際應(yīng)用,例如二維狄拉克半金屬和MXenes 為零帶隙;h-BN 帶隙過(guò)大呈絕緣體特性;而AlN、GaN、碳氮化合物以及III 族單硫化物的帶隙值過(guò)大,限制了它們對(duì)可見(jiàn)光的吸收[11,14,17,18];MoS2的載流子遷移率較低[19];而黑磷烯在空氣中易分解[20].因此,有必要探索具有合適帶隙、優(yōu)異光學(xué)性質(zhì)、出色機(jī)械性質(zhì)并具有良好穩(wěn)定性的二維材料.

由于引入氧、硫原子可以打開(kāi)二維狄拉克半金屬的帶隙,并提高結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性.因此,許多研究試圖通過(guò)將IV 組元素(C,Si,Ge 及Sn)及氧、硫元素組合設(shè)計(jì)新型二維材料,例如,δ-CS[21],T3X(T=C,Si,Ge,Sn;X=O,S,Se,Te)[22]以及二維二氧化硅[23].這些材料具有多樣化的能帶結(jié)構(gòu),從直接帶隙半導(dǎo)體到寬禁帶絕緣體.除電子性質(zhì)外,δ-CS 和二維二氧化硅還體現(xiàn)出有趣的拉脹現(xiàn)象.然而,由于缺少合適的分子前驅(qū)體或?qū)訝钊S材料,在實(shí)驗(yàn)室中制備這些材料依然面臨著很多挑戰(zhàn).

化學(xué)氣相沉積是通過(guò)選用合適的前驅(qū)體和襯底,在可控的環(huán)境下通過(guò)高溫促進(jìn)前驅(qū)體在襯底上發(fā)生反應(yīng)形成新材料[24].近年來(lái),許多實(shí)驗(yàn)方面的研究通過(guò)這種自下而上方式成功將分子前驅(qū)體延展為完整一維和二維材料,其中包括通過(guò)使用乙烯或苯環(huán)作為分子前驅(qū)體制備石墨烯[25,26],通過(guò)苯衍生物合成碳納米管[27]和納米帶[28,29],其他二維材料同樣也能夠通過(guò)這種方法制備,例如h-BN[30]、三元化合物h-BCN[31]以及TMDCs(MoS2[32,33]和WSe2[34]).因此選擇合適的分子前驅(qū)體能夠?yàn)轭A(yù)測(cè)和制備新型二維材料提供新的方向.受此啟發(fā),本文選用已被成功制備的SiH3SGeH3分子[35],通過(guò)有序排列其骨架,成功設(shè)計(jì)了一種新型的二維材料—單層SiGeS.基于第一性原理計(jì)算,系統(tǒng)研究了其幾何結(jié)構(gòu)、穩(wěn)定性、電學(xué)性質(zhì)、力學(xué)性質(zhì)以及光學(xué)性質(zhì).結(jié)果表明,單層SiGeS 具有良好的穩(wěn)定性.該材料為間接帶隙半導(dǎo)體,帶隙值為1.95 eV,且在可見(jiàn)光到紫外光范圍內(nèi)都有不錯(cuò)的光吸收系數(shù).此外,SiGeS 表現(xiàn)出優(yōu)異的機(jī)械性質(zhì),其在面內(nèi)方向呈現(xiàn)出負(fù)泊松比.施加應(yīng)變可以改變SiGeS 的能帶結(jié)構(gòu),在施加沿x軸和雙軸拉伸應(yīng)變下,SiGeS會(huì)發(fā)生間接帶隙向直接帶隙的轉(zhuǎn)變,并降低帶隙值至約1.5 eV,光吸收范圍也將擴(kuò)展到紅外波段.

2 計(jì)算條件和方法

所有計(jì)算均采用Material Studio 軟件的CA STEP[36]模塊中的密度泛函理論(DFT),交換關(guān)聯(lián)采用廣義梯度近似(GGA)中的Perdew-Burke-Ernzerhof (PBE)[37]泛函處理.采用Tkatchenko-Scheffler[38]方法描述層間范德瓦耳斯相互作用.選用模守恒贗勢(shì)(norm-conserving pseudopotentials)[39]描述電子-離子間相互作用,并設(shè)置平面波截?cái)嗄転?330 eV.真空層厚度設(shè)置為30 ?以避免層間相互作用.第一布里淵區(qū)由密度為2π × 0.01 ?–1的k網(wǎng)格點(diǎn)進(jìn)行采樣.能量收斂精度及力收斂精度分別為1 × 10–7eV/atom 和5 × 10–3eV/?.由于PBE 泛函會(huì)低估帶隙值,故使用Heyd-Scuseria-Ernzerhof(HSE06)[40]雜化泛函準(zhǔn)確計(jì)算了能帶結(jié)構(gòu)及光吸收系數(shù).聲子譜的計(jì)算采用了線性響應(yīng)(linear response)[41]方法.對(duì)6 × 6 × 1 的超胞進(jìn)行了第一性原理分子動(dòng)力學(xué)模擬(abinitiomolecular dynamics,AIMD),模擬時(shí)長(zhǎng) 為10 ps,步 長(zhǎng)為1.0 fs,通 過(guò)Nosé-Hoover 方法控制模擬過(guò)程中的溫度變化[42,43].

3 結(jié)果與討論

3.1 結(jié)構(gòu)與穩(wěn)定性

基于SiH3SGeH3的Si-S-Ge 骨架(見(jiàn)圖1(a)),設(shè)計(jì)了一種新型二維材料SiGeS.SiGeS 的對(duì)稱(chēng)結(jié)構(gòu)為單斜晶系,空間群為P21,其優(yōu)化收斂后結(jié)構(gòu)如圖1(b)所示.SiGeS 的晶格常數(shù)為a=5.48 ?,b=3.98 ?,其原胞內(nèi)擁有兩個(gè)Si 原子、兩個(gè)Ge 原子以及兩個(gè)S 原子,其中S 原子一側(cè)與Si 原子相連,另一側(cè)與Ge 原子相連.為驗(yàn)證SiGeS 的能量穩(wěn)定性,通過(guò)公式計(jì)算了其結(jié)合能,其中ESi,EGe,ES以及Etotal分別表示單個(gè)Si 原子、單個(gè)Ge 原子、單個(gè)S 原子和SiGeS 原胞的總能量;x,y,z分別表示原胞內(nèi)Si 原子、Ge 原子、S 原子的數(shù)量.SiGeS 的結(jié)合能為5.02 eV/atom,該值高于硅烯(3.98 eV/atom)和鍺烯(3.26 eV/atom)[44]的結(jié)合能,意味著SiGeS成鍵有很強(qiáng)的穩(wěn)定性.除計(jì)算結(jié)合能外,還通過(guò)計(jì)算聲子譜以及AIMD 模擬來(lái)分別驗(yàn)證SiGeS 的動(dòng)力學(xué)和熱力學(xué)穩(wěn)定性.其聲子譜如圖1(c)所示,從中可得該聲子譜內(nèi)無(wú)虛頻,意味著SiGeS 為動(dòng)力學(xué)穩(wěn)定.此外,光學(xué)支的最高頻率約為510 cm–1,要高于MoS2(473 cm–1)[45]和BP(450 cm–1)[46]的最高頻率,表明Si-S,Ge-S 和Si-Ge 為非常穩(wěn)定的共價(jià)連接.圖1(d)為SiGeS 體系在溫度為1000 K的AIMD 模擬中總能變化和最終結(jié)構(gòu)快照,可以看出總能始終在一段非常狹窄的范圍內(nèi)波動(dòng),且最終結(jié)構(gòu)無(wú)斷鍵或重構(gòu),這表明SiGeS 在1000 K 條件下為熱力學(xué)穩(wěn)定.因此認(rèn)為SiGeS 具有非常優(yōu)異的能量穩(wěn)定性、動(dòng)力學(xué)穩(wěn)定性以及熱力學(xué)穩(wěn)定性,非常有望能夠在實(shí)驗(yàn)中被成功制備.

圖1 (a) SiH3SGeH3 分子的結(jié)構(gòu);(b) 優(yōu)化后SiGeS 結(jié)構(gòu)的俯視圖和側(cè)視圖,其中虛線矩形框代表其原胞;(c) SiGeS 的聲子譜;(d) 1000 K 下SiGeS 的總能量變化和10 ps 后的結(jié)構(gòu)快照Fig.1.(a) Structure of SiH3SGeH3 molecule;(b) top and side views of the optimized structure of SiGeS,where the dashed rectangle represents the unit cell;(c) phono spectrum of SiGeS;(d) total energy evolution of SiGeS at 1000 K and the snapshot of the structure after 10 ps.

3.2 機(jī)械性質(zhì)

接下來(lái)研究了SiGeS 的機(jī)械性質(zhì),SiGeS 的彈性常數(shù)為C11=71.66 N/m,C22=50.12 N/m,C12=C21=–2.27 N/m 以及C66=12.33 N/m.方向依賴(lài)的楊氏模量Y(θ)和泊松比v(θ)可以通過(guò)以下公式求得[47]:

從圖2(a)可得,SiGeS 的楊氏模量具有很強(qiáng)的各向異性,當(dāng)θ=0°時(shí),其楊氏模量達(dá)到最大值71.55 N/m,當(dāng)θ=48.5°時(shí),其楊氏模量達(dá)到最小值34.18 N/m,當(dāng)θ=90°時(shí),其楊氏模量為50.05 N/m.這些數(shù)值要遠(yuǎn)小于石墨烯(340 N/m)[48]的值,但與硅烯(61.70 N/m)和鍺烯(44.00 N/m)[49]的數(shù)值相當(dāng),意味著SiGeS 是良好的柔性材料.

由于SiGeS 的C12為負(fù)值,故SiGeS 沿x,y方向及附近區(qū)域呈現(xiàn)負(fù)泊松比.當(dāng)θ=0°,其泊松比為–0.045,當(dāng)θ=90°,其泊松比為–0.031(圖2(b)).該值與α-磷烯(–0.027)[16],硼烯 (–0.02及–0.04)[50]和五邊形石墨烯(–0.068)[51]的數(shù)值相當(dāng).由于SiGeS 具有負(fù)泊松比,因此被稱(chēng)為拉脹材料,在軍工及醫(yī)藥等領(lǐng)域有著十分廣闊的應(yīng)用前景.

圖2 SiGeS 的(a)楊氏模量及(b)泊松比Fig.2.(a) Young’s modulus and (b) Poisson’s ratio of SiGeS.

對(duì)于普通正泊松比的材料,當(dāng)給材料施加沿某一方向的單軸拉伸(壓縮)應(yīng)變時(shí),材料在另一方向會(huì)同時(shí)產(chǎn)生壓縮(拉伸)的響應(yīng)應(yīng)變.而對(duì)于拉脹材料,當(dāng)給材料施加沿某一方向的單軸拉伸(壓縮)應(yīng)變時(shí),材料則在另一方向上同樣會(huì)產(chǎn)生拉伸(壓縮)的響應(yīng)應(yīng)變.以SiGeS 在施加沿x軸拉伸應(yīng)變的情況為例,其結(jié)構(gòu)變化如圖3(a)所示,為了適應(yīng)x方向的擴(kuò)張,SiGeS 在z軸褶皺程度將降低,因此材料厚度將減小,而Si-S-Ge 角將增大,此時(shí)所有原子將被推向z軸內(nèi)側(cè),從而增大Ge2-Si1-Ge2(Si2-Ge1-Si2)角,同時(shí)將Si 和Ge 原子推向y方向外側(cè),最終導(dǎo)致晶格常數(shù)b增大,因此SiGeS 的泊松比在面內(nèi)方向?yàn)樨?fù),在面外方向?yàn)檎?此外還研究了SiGeS 在施加–4%—4%范圍內(nèi)的單軸應(yīng)變下的機(jī)械響應(yīng)(如圖3(b)和圖3(c)所示).應(yīng)變定義為η(l ?l0)/l0,其中l(wèi)和l0分別是施加應(yīng)變和不施加應(yīng)變時(shí)的晶格常數(shù).泊松比可以通過(guò)擬合ηrs?v1ηs+來(lái)計(jì)算,其中ηrs(ηs)表示響應(yīng)(施加)應(yīng)變,v1為泊松比;v2和v3為擬合多項(xiàng)式中的系數(shù).當(dāng)在x方向施加應(yīng)變?chǔ)莤時(shí),y方向產(chǎn)生響應(yīng)應(yīng)變?chǔ)莥,該情況下通過(guò)擬合所得的v1即為vxy.vyx,vxz,vyz與之類(lèi)似.通過(guò)擬合,求得vxy=–0.051,vyx=–0.032,該結(jié)果與通過(guò)彈性固體理論獲得的結(jié)果非常接近.對(duì)于面外方向,vxz=0.391,vyz=0.149.

圖3 (a) 單層SiGeS 在沿x 軸拉伸應(yīng)變下的結(jié)構(gòu)變化,其中施加應(yīng)變與結(jié)構(gòu)變化分別使用藍(lán)色實(shí)線箭頭及紫色虛線箭頭表示;單層SiGeS 在沿(b) x 軸及(c) y 軸應(yīng)變下的機(jī)械響應(yīng)Fig.3.(a) Structure evolution of monolayer SiGeS under tensile strain along x.The applied strain and the structure evolution are marked by blue solid and purple dashed arrows,respectively;mechanical response of SiGeS under the strain along (b) x and (c) y.

3.3 電子結(jié)構(gòu)

圖4(a)所示為SiGeS 的能帶結(jié)構(gòu)及部分態(tài)密度圖(partial density of state,PDOS),SiGeS 為間接帶隙半導(dǎo)體,其價(jià)帶頂(valence band maximum,VBM)落在Γ-X路徑上,導(dǎo)帶底(conduction band minimum,CBM)落在Y-Γ路徑上.通過(guò)PBE 計(jì)算所得的帶隙為1.27 eV,由于PBE 泛函會(huì)低估半導(dǎo)體的帶隙,故通過(guò)HSE06 雜化泛函得到了更準(zhǔn)確的能帶結(jié)構(gòu),其帶隙為1.95 eV.相較于其他單層IV 族硫化物,該值大于直接帶隙半導(dǎo)體Pma2-SiS(1.22 eV)和硫化硅烯(1.01 eV)[52],小于具有間接帶隙的GeS (2.34 eV)[53],與類(lèi)似的IV 族氧化物石墨醚(2.39 eV)[54]和硅醚(1.89 eV)[55]的帶隙值十分接近,故SiGeS 非常有望被應(yīng)用于光伏領(lǐng)域.

圖4 SiGeS 的(a)能帶結(jié)構(gòu)、PDOS 及(b) ELF 圖Fig.4.(a) Electronic structure,PDOS and (b) ELF profile of SiGeS.

PDOS 顯示價(jià)帶主要由S-3p,Si-3p 和Ge-4p貢獻(xiàn),而導(dǎo)帶除S-3p,Si-3p 和Ge-4p 外,部分由Si-3s 和Ge-4s 貢獻(xiàn),且在–1.5—5 eV 范圍內(nèi),S-3p,Si-3p 和Ge-4p 之間有很強(qiáng)的雜化,表明S-Si,S-Ge,和Si-Ge 之間很強(qiáng)的共價(jià)特性.通過(guò)電子局域函數(shù)(electron localization function,ELF)分析了SiGeS的成鍵特性,從圖4(b)可知,所有成鍵的ELF 值均大于0.75,表明價(jià)電子在相鄰原子之間共享.

3.4 載流子遷移率

二維材料的載流子遷移率對(duì)電子器件的性能有很大的影響.基于有效質(zhì)量近似和聲子有限散射機(jī)制計(jì)算了SiGeS 的載流子遷移率[56?58].其公式為

其中e,?,kB和T分別為電荷、約化普朗克常數(shù)、玻爾茲曼常數(shù)和溫度(300 K).為沿x(y)方向的載流子有效質(zhì)量,可通過(guò)公式求得,其中E(k)是對(duì)應(yīng)于波矢k的能量.面內(nèi)剛度Cx(Cy)可通過(guò)公式Cx1/S0·?2E/?η2求得,其中E為體系總能量,S0為本征原胞的面積,η為施加的單軸應(yīng)變.形變勢(shì)常數(shù)E1dV/dη,V為CBM 和VBM 在應(yīng)變?chǔ)窍碌钠?所有計(jì)算結(jié)果均列在表1 中,通過(guò)計(jì)算可得SiGeS 沿x方向的電子有效質(zhì)量為0.87m0,空穴的有效質(zhì)量為11.12m0;沿y方向的電子有效質(zhì)量為1.10m0,空穴的有效質(zhì)量為2.53m0.此外,可得到SiGeS 電子(空穴)的形變勢(shì)常數(shù)為E1x=9.02 eV,E1y=9.80 eV(E1x=0.95 eV,E1y=5.84 eV).SiGeS 在x方向上的面內(nèi)剛度為89.73 N/m,在y方向上面內(nèi)剛度為63.09 N/m.最后計(jì)算可得SiGeS 的沿x方向的電子遷移率為22.24 cm2/(V·s),空穴遷移率為3.02 cm2/(V·s);沿y方向的電子遷移率為15.41 cm2/(V·s),空穴遷移率為6.38 cm2/(V·s).該數(shù)值要高于在實(shí)驗(yàn)室中測(cè)得的2D NbSe2和MoS2的載流子遷移率(0.5和 3 cm2/(V·s))[19].此外,電子的遷移率為空穴的數(shù)倍,因此SiGeS 有利于分離光生電子-空穴對(duì).

表1 SiGeS 的有效質(zhì)量m*,形變勢(shì)常數(shù) |E1|,面內(nèi)剛度C2D 及載流子遷移率μTable 1.Effective mass m*,deformation potential constant |E1|,in-plane stiffness C2D,and carrier mobility μ of SiGeS.

3.5 應(yīng)力調(diào)控

應(yīng)變調(diào)控是調(diào)節(jié)二維材料電子特性最常用的方法之一.因此,本文研究了如何利用單軸和雙軸應(yīng)變來(lái)調(diào)節(jié)SiGeS 的電子性質(zhì).由于PBE 和HSE06計(jì)算的帶隙變化趨勢(shì)十分相似,因此此處采用的泛函為PBE.如圖5(a)所示,當(dāng)沿x方向施加單軸應(yīng)變(ηx)時(shí),帶隙單調(diào)遞減.然而,當(dāng)在SiGeS 上施加沿y方向的單軸應(yīng)變(ηy)或雙軸應(yīng)變(ηbi)時(shí),帶隙變化呈拋物線性.施加沿y方向的單軸應(yīng)變或雙軸應(yīng)變時(shí),臨界應(yīng)變?chǔ)?分別為–2%和–3%.當(dāng)η≤η0,帶隙隨η的增大而增大,而當(dāng)η>η0帶隙隨η的增大而減小.而在單層InP3[59]、IV 族氮化物及磷化物[60]上施加應(yīng)變同樣能夠觀察到帶隙具有類(lèi)似變化趨勢(shì).例如,對(duì)于InP3,其帶隙值在沿之字形(zigzag)方向、手扶椅(armchair)方向以及雙軸應(yīng)變下的變化趨勢(shì)均呈拋物線型,臨界應(yīng)變分別為0%,0%和–1%.而對(duì)于GeN 和SnN,當(dāng)在施加雙軸應(yīng)變時(shí),帶隙呈單調(diào)遞減的趨勢(shì),而SiN,SiP,GeP 和SnP 的帶隙變化呈拋物線型,其臨界應(yīng)變分別位–1%,–2%,–3%和–3%.此外,SiGeS 的能帶結(jié)構(gòu)對(duì)雙軸拉伸應(yīng)變以及沿x方向單軸拉伸應(yīng)變更敏感,在這兩種應(yīng)變下,當(dāng)應(yīng)力大小為+3%和+4%時(shí),SiGeS 轉(zhuǎn)變?yōu)橹苯訋栋雽?dǎo)體,通過(guò)HSE06泛函得到這幾種情況下的能帶結(jié)構(gòu)如圖5(b)所示,此時(shí)CBM 和VBM 均落在Γ點(diǎn),其帶隙范圍為1.32—1.58 eV,該帶隙值使得SiGeS 十分適合被用于光電子設(shè)備.

圖5 SiGeS 在施加應(yīng)變時(shí)的(a)帶隙值及(b)在ηx+3%,ηx+4%,ηbi+3%和ηbi+4%下的能帶結(jié)構(gòu)Fig.5.(a) Band gaps of SiGeS under strain;(b) band structures of SiGeS under the strain of ηx+3%,ηx+4%,ηbi+3%,and ηbi+4%.

SiGeS 及在應(yīng)變下?lián)碛泻线m的帶隙(1—2 eV),與BP 和MoS2相當(dāng),非常適合用于光伏和光電領(lǐng)域.為了研究其捕光性能,使用HSE06 泛函計(jì)算了SiGeS 及其在+4%沿x單軸和雙軸應(yīng)變下(ηx+4%和ηbi+4%)的面內(nèi)(ab面)及面外(c軸)吸收光譜.其結(jié)果如圖6 所示,在紫外光范圍內(nèi),它們的吸收系數(shù)可達(dá)到105cm–1,該值與有機(jī)鈣鈦礦太陽(yáng)能電池[61]的吸收系數(shù)相當(dāng).此外,SiGeS 在可見(jiàn)光范圍(1.62—3.11 eV)內(nèi)同樣擁有非常優(yōu)異的光吸收性能,尤其是在面內(nèi)方向,其吸收系數(shù)可達(dá)到104cm–1.在應(yīng)力調(diào)控下,SiGeS 對(duì)光譜的吸收曲線會(huì)向紅外光方向偏移,該現(xiàn)象被稱(chēng)為紅移,該現(xiàn)象與在CdS/C2N 異質(zhì)結(jié)和錫烯[62,63]上施加應(yīng)變類(lèi)似,當(dāng)施加沿x方向的應(yīng)變時(shí),SiGeS 對(duì)整個(gè)紅外波段都有著不錯(cuò)的吸收系數(shù).

圖6 SiGeS 及其在ηx+4%和ηbi+4%下的光吸收系數(shù)Fig.6.Absorption coefficients of pristine SiGeS and SiGeS under the strain of ηx+4% and ηbi+4%.

4 結(jié)論

本文提出了一種新型的二維材料SiGeS,通過(guò)第一性原理計(jì)算,研究了單層SiGeS 的結(jié)構(gòu)、穩(wěn)定性、機(jī)械、電子和光學(xué)性質(zhì).計(jì)算結(jié)果表明SiGeS具有良好的能量、動(dòng)力學(xué)和熱力學(xué)穩(wěn)定性.此外,SiGeS 為拉脹材料,其在面內(nèi)方向具有非常稀有的負(fù)泊松比現(xiàn)象.本征單層SiGeS 為間接帶隙半導(dǎo)體,帶隙值為1.95 eV,并且在可見(jiàn)光波段有良好的吸收系數(shù).在應(yīng)力作用下,其能帶結(jié)構(gòu)會(huì)發(fā)生間接帶隙向直接帶隙的轉(zhuǎn)變,直接帶隙值范圍為1.32—1.58 eV,同時(shí),在應(yīng)變下其在紅外波段范圍內(nèi)的光吸收能力將被增強(qiáng),進(jìn)而提高了其對(duì)整個(gè)太陽(yáng)光波段的吸收能力.本工作為納米器件提供了一種具有廣泛應(yīng)用前景的新型多功能材料.