Электронные свойства с регулируемой деформацией и выравнивание полос в гетероструктуре GaTe / C2N:расчет из первых принципов

Фон

С момента открытия графена [1, 2] интерес к двумерным (2D) слоистым материалам неуклонно растет. Многие графеноподобные 2D-материалы, такие как дихалькогениды переходных металлов [3], однослойные сотовые структуры элементов V групп и бинарных соединений III-V [4–8], а также халькогениды постпереходных металлов (PTMC) [9], получили много преимуществ. представляют интерес благодаря своим исключительным физическим свойствам и многообещающим приложениям. Среди этих разнообразных 2D-материалов монослой GaTe, входящий в состав PTMC [9], был успешно изготовлен методом молекулярно-лучевой эпитаксии [10]. Теоретические расчеты показали, что монослой GaTe является непрямым запрещенным полупроводником и его запрещенную зону можно модулировать путем приложения деформаций [11]. Кроме того, монослой C ₂ N, новый двухмерный слоистый материал с однородным распределением пор и атомов азота, также был успешно синтезирован с помощью восходящей влажной химической реакции и оказался полупроводником с прямой запрещенной зоной [12]. Многие исследования продемонстрировали, что ширина запрещенной зоны, положение краев зон и оптические свойства могут быть изменены путем изменения порядка их укладки, номера слоя, внешнего электрического поля или деформации и легирования / замены другими элементами [13–16]. Следует отметить, что регулируемая прямая запрещенная зона и пористая природа C ₂ Ожидается, что N будет проявлять желаемые свойства для электроники, оптоэлектроники и преобразования энергии, а также фотокаталитического расщепления воды и т. Д. [15]. Однако по-прежнему остается серьезная проблема с использованием C ₂ . N в фотокатализе и фотоэлектрических элементах:фотогенерированные электронно-дырочные пары остаются в одних и тех же областях пространственно, что может привести к высокой скорости рекомбинации фотогенерированных носителей, тем самым уменьшая преобразование солнечной энергии

Параллельно с исследованиями отдельных 2D-материалов, гетероструктуры Ван-дер-Ваальса (vdW), изготовленные путем наложения различных 2D-полупроводниковых материалов, открыли новые возможности для создания новых материалов и конструирования новых устройств [17–23]. Этот вид гетероструктуры в целом можно разделить на три типа:тип I (поперечная щель), тип II (ступенчатая щель) и тип III (сломанная щель) в зависимости от относительного положения максимума валентной зоны (VBM) и зоны проводимости. минимум (CBM) соответствующих полупроводников [18, 24, 25]. Для гетероструктур типа I энергии VBM и CBM одного материала перекрывают энергии другого материала, и все фотогенерированные электроны и дырки накапливаются в одном слое, что вызывает сверхбыструю рекомбинацию возбужденных носителей и, таким образом, может использоваться в оптоэлектронных устройствах, например в светодиодах. В случае гетероструктур типа II и CBM, и VBM одного материала меньше или выше по энергии, чем у другого материала. В результате фотогенерированные электроны и дырки удерживаются отдельно в двух материалах соответственно, тем самым замедляя скорость рекомбинации. Следовательно, их можно использовать в качестве строительных блоков для фотоэлектрических устройств [18, 24]. Что касается гетероструктур III типа, уровень VBM одного материала выше, чем уровень CBM другого, что желательно для туннельных полевых транзисторов [25, 26]. Совсем недавно многие гетероструктуры на основе GaTe были интенсивно изучены как теоретически, так и экспериментально. Гетероструктура GaTe / InSe создана экспериментально и имеет выстраивание зон типа II [27,28]. Квази-2D гетероструктура GaTe / GaSe была создана путем переноса расслоенного многослойного GaSe на объемные листы GaTe и, как было обнаружено, формирует выравнивание полос типа I на границе раздела [29]. Было подтверждено, что гетероструктура GaTe / SnI является крупнощелевым квантовым спиновым изолятором Холла и демонстрирует заметное расщепление Рашбы, которое можно модулировать путем изменения межслоевого расстояния в гетероструктурах [30]. Кроме того, конструкция полупроводника / C ₂ N гетероструктур, таких как g-C ₃ N ₄ / C ₂ N [31], MoS ₂ / C ₂ N [32] и CdS / C ₂ N [33] продемонстрировал огромный потенциал для продвижения фотокаталитических характеристик C ₂ N из-за эффективного разделения электронно-дырочных пар, тем самым ограничивая рекомбинацию фотогенерированных носителей.

В этой работе мы строим GaTe / C ₂ N vdW гетероструктура и выполнить расчеты из первых принципов теории функционала плотности (DFT) для исследования ее структурных параметров и электронных, оптических свойств. Результаты показывают, что гетероструктура обладает внутренним выравниванием полос типа II и лучшим поглощением видимого УФ-света, чем составляющие слои. Кроме того, мы прогнозируем деформационные зависимости ширины запрещенной зоны, выравнивания полос и положения краев полосы GaTe / C ₂ N-гетероструктуры, которые необходимы при разработке новых многофункциональных наноустройств.

Методы

В нашем исследовании мы выполняем расчеты из первых принципов, используя пакет для моделирования из первых принципов Vienna (VASP) [34]. Базисный набор плоских волн с порогом кинетической энергии 500 эВ и псевдопотенциал на основе псевдопотенциала расширенной волны Perdew-Burke-Ernzerhofer (PBE) [35] используются для разложения волновых функций и для описания электрон-ионного потенциала, соответственно. Более затратный в вычислительном отношении гибридный функциональный метод Heyd-Scuseria-Ernzerhof (HSE06) [36] принят для исправления заниженных запрещенных зон, полученных с помощью вычислений DFT / PBE. Слабое vdW-взаимодействие между двумя монослоями описывается поправкой Гримма DFT-D2 [37]. Вакуумное пространство в z -направление более 25 Å используется для предотвращения взаимодействий между соседними гетерослоями. А 21 × 21 × 1 (11 × 11 × 1) k -сетка для расчетов PBE (HSE06) используется для выборки зоны Бриллюэна. Позиции атомов полностью расслаблены, пока энергия и силы не сведутся к 10 ⁻⁵ . эВ и 0,01 эВ / Å соответственно.

Результаты и обсуждение

Начнем с исследований чистых GaTe и C ₂ N монослоев. Оптимизированные конфигурации двух монослоев показаны на рис. 1а, б соответственно. Их структурные параметры приведены в таблице 1. Для монослоя GaTe оптимизированная постоянная решетки и длина связи Ga-Te составляют 4,14 и 2,41 Å соответственно. В случае C ₂ N монослой, оптимизированная постоянная решетки, расстояния C-N и C-C (1) / C-C (2) составляют 8,26, 1,34 и 1,47 / 1,43 Å соответственно. Кроме того, их зонная структура также исследована расчетами PBE / HSE06 и представлена ​​в Дополнительном файле 1:Рисунок S1a и b, соответственно. По-видимому, монослой GaTe представляет собой полупроводник с непрямой запрещенной зоной 1,43 / 2,13 эВ, в то время как C ₂ Монослой N представляет собой полупроводник с прямой запрещенной зоной со значением 1,65 / 2,44 эВ. Между тем, мы обнаружили, что помимо жесткого сдвига, ленточные структуры C ₂ Монослой N, рассчитанный с использованием PBE и HSE06, существенно различается, особенно для валентных зон. Однако все CBM и VBM, рассчитанные с использованием PBE и HSE06, находятся на Γ точки, указывающие на то, что дисперсии полос, задаваемые двумя функционалами, относительно согласованы, хотя есть некоторая разница в точности. Все результаты хорошо согласуются с результатами предыдущих отчетов [11, 38] и свидетельствуют о надежности нашего метода расчета. Как хорошо известно, запрещенные зоны полупроводников обычно недооцениваются функционалом PBE из-за отсутствия разрыва производной в функционале энергии. Наша следующая презентация электронных и оптических свойств будет основана на результатах HSE06.

( a , вид сверху и сбоку ) GaTe и ( b ) С ₂ N монослоев. Лучшие просмотры ( c - е ) α -, β - и γ -stacking GaTe / C ₂ N гетероструктур, в которых соответствующие базовые векторы гетероструктур помечены

GaTe / C ₂ N-гетероблок создается путем объединения суперячейки 2 × 2 из листа GaTe и элементарной ячейки 1 × 1 из C ₂ N с рассогласованием кристаллической решетки всего 0,48%. Чтобы найти стабильную конфигурацию гетероструктуры, мы смещаем монослой GaTe в разные стороны. В результате три энергетически выгодных типа стэкинга с высокой симметрией, названные α -, β - и γ -stacking, как показано на рис. 1c – e. В α -гексагональный C ₄ N ₂ кольца расположены прямо над шестиугольными кольцами GaTe. Что касается β - и γ -сложенные, их можно получить, перемещая слой GaTe в α -сложить примерно 1,21 и 2,42 Å вдоль a + b направление соответственно. Чтобы сравнить относительную стабильность трех конфигураций наложения, мы вычисляем их энергии связи на границе раздела:\ (\ phantom {\ dot {i} \!} E _ {\ mathrm {b}} =(E _ {\ mathrm {GaTe / C_ { 2} N}} - E _ {\ text {GaTe}} - E _ {\ mathrm {C_ {2} N}}) / S \), где \ (\ phantom {\ dot {i} \!} E _ {\ mathrm {GaTe / C_ {2} N}} \), E _GaTe , а \ (E _ {\ mathrm {C_ {2} N}} \) представляют собой полные энергии GaTe / C ₂ Гетероструктура N, отдельно стоящий GaTe и C ₂ N монослоев соответственно и S - площадь поверхности 2D суперячейки. Как показано в Таблице 1, энергии связи GaTe / C ₂ N гетероструктур с α -, β - и γ -конфигурации суммирования:-15,06 мэВ, -14,97 мэВ и -15,80 мэВ / Å ² , соответственно. Три энергии связи очень близки друг к другу, хотя γ - укладка энергетически более выгодна, что соответствует наименьшему межслоевому расстоянию. Мы дополнительно подтверждаем динамическую и термическую стабильность этих гетероструктур с различными формами наложения путем расчета их фононных спектров и выполнения ab initio моделирования молекулярной динамики (МД) и показываем результаты в дополнительном файле 1:Рисунок S2. Все фононные моды имеют положительные частоты, за исключением поперечной акустической моды вблизи Γ точка за счет смягчения фононов, подтверждающая динамическую устойчивость [5]. В моделировании МД полные энергии систем колеблются в определенных диапазонах энергий, и в гетероструктурах не обнаруживается никаких геометрических реконструкций и разорванных связей, что указывает на то, что эти системы термически стабильны при комнатной температуре [39]. Отметим, что при моделировании МД γ -конфигурация укладки обладает наименьшей волнообразной энергией (менее 7 мэВ / атом), что указывает на ее более заметную термическую стабильность. Очень близкие энергии связи трех конфигураций стэкинга подразумевают, что их электронные структуры также могут быть очень похожими. Чтобы подтвердить это, мы рассчитываем структуры полос для трех конфигураций (см. Дополнительный файл 1:Рисунок S3). Видно, что три зонные структуры действительно практически идентичны. Хотя γ -конфигурация штабелирования является наиболее стабильной, три конфигурации все еще могут быть заполнены с некоторой вероятностью при комнатной температуре из-за их одинаковой энергии образования. Однако, поскольку их электронные структуры также очень близки друг к другу, мы можем выбрать только одну конфигурацию для представления нашей работы. Здесь мы выбираем наиболее устойчивый γ -конфигурация стекирования в следующих анализах и обсуждениях.

Теперь перейдем к электронным свойствам GaTe / C ₂ . Гетероструктура N vdW. Как показано на рис. 2а, запрещенная зона GaTe / C ₂ Расчетная гетероструктура N составляет около 1,38 эВ. По сравнению с шириной запрещенной зоны его компонентов ширина запрещенной зоны уменьшена за счет GaTe-C ₂ N-взаимодействие и результирующее выравнивание полос. Также электронная структура C ₂ Монослой N хорошо сохранился. Тем не менее, проектируемая зонная структура GaTe в гетероструктуре имеет значительные изменения по сравнению с монослоем, что можно объяснить тем, что межслоевые vdW и электростатические взаимодействия могут приводить к перекрытию электронных состояний в зонах гетероструктуры. Подобное поведение также наблюдается в MoS ₂ / PbI ₂ Гетероструктура ВДВ [40]. Кроме того, мы обнаружили, что его VBM и CBM в основном локализованы на GaTe и C ₂ N подслоев соответственно. Из расчетной полной и парциальной плотности состояний (PDOS) на рис. 2a (правая панель) видно, что CBM в основном происходит от p состояний атомов N и C, тогда как в VBM в основном преобладает p состояния атомов Te и Ga. Зонно разложенные плотности заряда CBM и VBM на рис. 2c, d показывают, что электроны и дырки с наименьшей энергией распределены в C ₂ N слой и слой GaTe, соответственно, согласуются с подробными результатами PDOS выше. Выравнивание полосы GaTe / C ₂ Гетероструктура N, включающая как VB-смещение (VBO), так и CB-смещение (CBO), проиллюстрирована на рис. 2b, который соответствует анализу на рис. 2a. Ясно, что VB и CB слоя GaTe имеют более высокую энергию, чем соответствующие полосы C ₂ Слой N, а также VBO и CBO между GaTe и C ₂ N слоев составляют около 1,03 и 0,72 эВ соответственно. Когда гетероструктура освещается светом, электроны с энергией, полученной от солнечного света, прыгают в CB из VB. И затем эти фотогенерированные электроны на CB листа GaTe могут быть легко перемещены на электроны C ₂ N слой из-за наблюдаемого CBO. И наоборот, фотогенерированные отверстия на VB C ₂ Перенос N листов на слой GaTe из-за VBO. Приведенные выше результаты предполагают, что выравнивание полос типа II формируется на границе раздела между GaTe и C ₂ N слоев, что является предпосылкой для эффективного разделения электронов и дырок. Кроме того, рассчитанная средняя по плоскости разность зарядов гетероструктуры, показанная в Дополнительном файле 1:Рисунок S4, указывает на то, что некоторые электроны переносятся из C ₂ N к слою GaTe. Это означает, что собственное встроенное электрическое поле ( E _в ) индуцируется своим направлением, указывающим из C ₂ N слой к слою GaTe. Также обратите внимание, что E _в действует в противоположном (том же) направлении по отношению к переносам фотогенерированных электронов (дырок) и, таким образом, ингибирует рекомбинацию фотогенерированных электронно-дырочных пар. В результате под комбинированным эффектом внутреннего E _в и смещение полосы, фотогенерируемые носители можно эффективно разделить на разных поверхностях, что может повысить эффективность преобразования энергии и, наконец, повысить производительность оптоэлектронных устройств.

а Спроектированная ленточная структура GaTe / C ₂ N-гетероструктура с γ -конфигурация стэкинга и соответствующая полная и парциальная плотность состояний. б Схематическое изображение совмещения полос типа II для переноса и разделения носителей в GaTe / C ₂ N гетероструктура, относящаяся к уровню вакуума. Для сравнения показаны окислительно-восстановительные потенциалы (красная пунктирная линия) расщепления воды при pH =0. Плотность разложенных зарядов c VBM и d CBM гетероструктуры

Кроме того, мы замечаем, что CBM гетероструктуры находится более положительно, чем потенциал восстановления (-4,44 эВ по отношению к уровню вакуума) выделения водорода, тогда как его VBM почти перекрывается с потенциалом окисления (-5,67 эВ по сравнению с уровнем вакуума) выделения кислорода. Следовательно, он имеет лишь ограниченную фотокаталитическую способность расщеплять воду путем производства водорода при pH =0. Тем не менее, изменение расстояния между слоями и значения pH может воспламенить потенциальное применение гетероструктуры в качестве фотокатализатора видимого света (см. Подробное обсуждение ниже).

Собственно, перспективное фотоэлектрическое наноустройство должно поглощать как можно больше видимого УФ-света. Таким образом, мы дополнительно исследуем оптическое поглощение GaTe / C ₂ N-гетероструктура и ее компоненты. Вычислительные детали полностью описаны в наших предыдущих работах [22, 23]. Как показано на рис. 3, GaTe / C ₂ N-гетероструктура демонстрирует более сильное поглощение видимого УФ-света и более широкий диапазон поглощения по сравнению с его компонентами, особенно в диапазоне энергий от 2,20 до 4,71 эВ. Это связано с новыми оптическими переходами, вызванными переносом заряда и межслойным взаимодействием в гетероструктуре [41].

Рассчитанные спектры оптического поглощения A ( ω ) GaTe / C ₂ Гетероструктура N и ее компоненты с использованием гибридного функционала HSE06. А ( ω ) гетероструктур с вертикальными деформациями 0,5 и 1,5 Å и деформациями в плоскости + 6% и -6%. И солнечный спектр также показан для сравнения

Широко известно, что деформации, включая межслойные (нормальные) и плоские деформации, обеспечивают эффективный способ настройки электронных свойств и, таким образом, улучшают характеристики материалов [42]. Здесь мы сначала исследуем эффект нормальной деформации в GaTe / C ₂ Гетероструктура N vdW. Нормальная деформация оценивается как Δ г = d - г ₀ , где d и d ₀ - фактическое и равновесное расстояния, соответственно, между GaTe и C ₂ N подслоев. Таким образом, если Δ г > 0, система находится под действием нормальной растягивающей деформации, и наоборот. Изменение взаимодействия между GaTe и C ₂ N слоев должны отражаться по интенсивности переноса заряда между ними. Расчетные усредненные по плоскости разности зарядов GaTe / C ₂ N гетероструктур с разными межслоевыми расстояниями показаны в Дополнительном файле 1:Рисунок S5. Результаты показывают, что расстояние между GaTe и C ₂ N листов, очевидно, усиливается перенос заряда за счет усиленного межслоевого взаимодействия. Таким образом, электронное поведение GaTe / C ₂ Ожидается, что гетероструктура N хорошо настраивается при нормальной деформации.

Расчетная ширина запрещенной зоны и энергия связи гетероструктуры в зависимости от приложенной деформации показаны на рис. 4a, а эволюция CBM и VBM гетероструктуры при нормальной деформации показана на рис. 4b. Ясно показано, что увеличение нормальной деформации сжатия уменьшает ширину запрещенной зоны из-за усиленного межслоевого взаимодействия. Напротив, увеличивающаяся нормальная деформация растяжения сначала медленно увеличивает ширину запрещенной зоны, а затем достигает почти схождения при Δ г 0,8 Å, что может возникнуть из-за большего уменьшения межслоевого взаимодействия [32]. Находим равновесную структуру при Δ г =0 имеет самую низкую энергию связи, что согласуется с результатом, показанным в таблице 1. Между тем, мы замечаем, что выравнивание полос типа II и повышенное поглощение видимого УФ-света сохраняются, почти независимо от расстояния между слоями (см. Рис. 3 и Дополнительный файл 1:Рисунок S6). Что еще более интересно, большие нормальные деформации при растяжении ( Δ г 0,3 Å) сдвинуть VBM ниже O ₂ / H ₂ Окислительный потенциал, что делает систему пригодной для разделения воды при pH =0. Во время фотокаталитического расщепления воды процессы производства водорода и кислорода будут происходить отдельно в C ₂ Слой N и слой GaTe соответственно. Отметим, что в такой ситуации избыточный потенциал VBM настолько мал, что его может быть недостаточно для O ₂ производства [43], но такие потенциалы смещения можно регулировать, изменяя значение pH среды [44]. Другими словами, фотокаталитические свойства расщепления воды можно дополнительно регулировать, контролируя pH, чтобы он соответствовал окислительно-восстановительному потенциалу воды. Как показано на рис. 4b, в кислой среде с pH =2 края полос гетероструктуры полностью перекрывают окислительно-восстановительный потенциал воды, показывая, что гетероструктура хорошо подходит для H ₂ / O ₂ добыча из воды, особенно при больших вертикальных деформациях.

Влияние нормальной деформации на a запрещенная зона и энергия задержки, а также b положение краев полосы GaTe / C ₂ Гетероструктура N vdW. Для сравнения показаны окислительно-восстановительные потенциалы расщепления воды при pH 0 (красная пунктирная линия) и pH 2 (синяя пунктирная линия)

Для дальнейшего раскрытия механизма фотокаталитической генерации водорода на GaTe / C ₂ N, мы моделируем адсорбцию и разложение воды на поверхности C ₂ Слой N, в котором при фотокаталитическом расщеплении воды образуется водород. Поскольку образование молекул водорода начинается с разложения поглощенной воды, мы сначала исследуем энергию поглощения H, OH и H ₂ O на C ₂ Поверхность N на уровне DFT / PBE. Соответствующие энергии адсорбции составляют -1,03, -0,51 и -0,56 эВ, соответственно, как показано на рис. 5а. Отрицательные значения указывают на то, что поглощения энергетически выгодны [45]. Впоследствии расчетная энергия реакции разложения воды составляет около 1,48 эВ (от -0,56 до 0,92 эВ). Это означает, что разложение воды является эндотермической реакцией на этой поверхности. Кроме того, поскольку генерируемые атомы водорода адсорбируются на C ₂ N, удаленно отделенный адатом водорода будет энергетически выгоден для миграции вблизи с образованием молекул водорода [46]. Как показано на рис. 5b, энергия реакции, необходимая для удаления одного H ₂ из C ₂ N относительно невелик (0,04 эВ), что указывает на то, что адсорбированный H ₂ легко выделяется и полезен для фотокаталитического производства газообразного водорода.

а Адсорбционные конфигурации H, OH, H ₂ O и механизм разложения H ₂ O на C ₂ Поверхность N в GaTe / C ₂ Гетероструктура N vdW. б Взаимодействие между двумя адатомами водорода, образование и выделение молекулы водорода на C ₂ Поверхность N в GaTe / C ₂ Гетероструктура N vdW

Наконец, мы переходим к изучению эффекта двухосных деформаций в плоскости, который моделируется изменением параметра кристаллической решетки и рассчитывается как ε =( а - а ₀ ) / а ₀ , где a и a ₀ - постоянные решетки деформированной и нетронутой структур соответственно. Чтобы гарантировать, что рассматриваемые двухосные деформации внутри слоя находятся в пределах диапазона упругого отклика, мы сначала исследуем энергию деформации, приходящуюся на один атом, E _s =( E _{напряженный} - E _{без напряжения} ) / n , с n число атомов в элементарной ячейке. Расчетная кривая энергии деформации (см. Рис. 6а (справа y -axis)) показывает характеристику квадратичной функции, указывающую, что все рассматриваемые деформации находятся в пределах предела упругости и, следовательно, полностью обратимы. Изменение ширины запрещенной зоны при различных двухосных деформациях показано на рис. 6а. Видно, что ширина запрещенной зоны достигает максимального значения (∼1.45 эВ) при деформации около - 2%. При ε =- 12% система претерпевает переход от полупроводника к металлу, что подразумевает регулируемые проводящие и транспортные свойства этой гетероструктуры. Между тем, при ε обнаружены интересные переходы через запрещенную зону (Ind-D-Ind). ≃− 3% и - 8% соответственно. Эти переходы происходят из вызванных деформацией сдвигов энергии полосы в различных k-точках (подробности см. В Дополнительном файле 1:Рисунок S7). Переход Ind-D и изменения электронной структуры из-за деформации могут увеличивать оптическое поглощение [47]. На рис. 3 мы сравниваем оптическое поглощение GaTe / C ₂ N-гетероструктуры при деформациях ± 6%, где ширина запрещенной зоны примерно одинакова. Результаты показывают, что двухосная деформация вызывает красное смещение оптических спектров в диапазоне видимого света, что согласуется с уменьшенной шириной запрещенной зоны, описанной выше. Интересно, что деформация - 6% приводит к значительному увеличению оптического поглощения в области [1.60–2.65 эВ]. Кроме того, также обнаружено, что деформация может изменять выравнивание полос. Как показано на рис. 6b и в дополнительном файле 1:на рис. S7, для ε ≥ + 6% CBM подслоя GaTe смещается вниз и становится CBM гетероструктуры. В результате энергии CBM и VBM в подслое GaTe перекрываются энергиями в C ₂ N, что приводит к переходу от типа II к типу I. Здесь мы отмечаем, что CBM и VBM подслоя GaTe сближаются друг с другом при больших деформациях растяжения и образуют очень маленькую запрещенную зону, в то время как C ₂ N подслой претерпел лишь незначительные изменения. Такое поведение можно понять, сначала рассмотрев эффекты деформации на электронные структуры двух изолированных монослоев. Предыдущие расчеты показали, что запрещенная зона монослоя GaTe намного более чувствительна к большим деформациям при растяжении, чем ширина запрещенной зоны C ₂ N монослой:при больших деформациях растяжения первый станет очень маленьким, а второй останется [11, 16]. Это может быть связано с структурой потери устойчивости GaTe, на которую более существенно влияют деформации в плоскости. Поскольку общие межслоевые взаимодействия в гетероструктуре являются слабыми, в основном это vdW и электростатические взаимодействия, которые лишь незначительно влияют на ширину запрещенной зоны, поведение двух монослоев при больших деформациях растяжения сохраняется в GaTe / C ₂ N-гетероструктура. Кроме того, для ε ≥ − 12%, CBM и VBM подслоя GaTe становятся выше, чем у C ₂ N подслоя, и, таким образом, формируется выравнивание полос типа III. Однако, когда деформация сжатия дополнительно увеличивается до значения более -13%, выравнивание полосы этого типа III нарушается, где C ₂ Подслой N станет металлическим. Одним словом, деформация может эффективно спроектировать тип и значение ширины запрещенной зоны и выравнивание полосы GaTe / C ₂ N-гетероструктура. Это будет полезно для разработки многофункциональных высокопроизводительных электронных и оптоэлектронных устройств.

а Влияние двухосной деформации в плоскости на ширину запрещенной зоны и энергию деформации GaTe / C ₂ Гетероструктура N. Мутно-розовая, синяя и зеленая области представляют собой диапазоны запрещенной зоны металла (M), Ind и D соответственно. б Эволюция положения краев зоны подслоев в гетероструктуре в зависимости от двухосной деформации в плоскости. Области I, II и III соответствуют выравниванию полос типа I, -II и -III соответственно

Выводы

Таким образом, путем выполнения первых принципов гибридных расчетов методом DFT мы систематически исследовали зависящие от деформации структурные, электронные и оптические свойства GaTe / C ₂ N-гетероструктура. Предполагается, что это будет полупроводник с непрямой запрещенной зоной, демонстрирующий улучшенное оптическое поглощение в видимом и УФ-диапазоне по сравнению с его компонентами. Выравнивание полос типа II и собственное встроенное электрическое поле ингибируют рекомбинацию фотогенерированных носителей с потраченной впустую энергии и, таким образом, улучшают характеристики оптоэлектронных устройств. В частности, большие нормальные деформации при растяжении могут сделать систему пригодной для расщепления воды при определенном pH. Изучая поведение молекулы воды при поглощении и разложении на C ₂ N подслоя в гетероструктуре, мы находим, что поглощение H ₂ O и образование H ₂ на C ₂ Все поверхности N являются энергетически выгодными, что благоприятно для фотокаталитического производства газообразного водорода. Деформации сжатия в плоскости будут вызывать переходы Ind-D-Ind и полупроводник-металл, тогда как деформации растяжения в плоскости будут вызывать переходы типа II в тип I или тип III. Эти результаты демонстрируют, что GaTe / C ₂ N-гетероструктура имеет большой потенциал для применения в многофункциональных оптоэлектронных устройствах.

Сокращения

2D:

Двумерный

CBM:

Conduction band minimum

CBO:

Conduction band offset

DFT:

Density functional theory

HSE06:

Hybrid Heyd-Scuseria-Ernzerhof

PBE:

Perdew-Burke-Ernzerhofer

PDOS:

Partial density of states

PTMCs:

Post transition metal chalcogenides

VBM:

Valence band maximum

VBO:

Valence band offset

vdW:

van der Waals