Инженерия деформации электронных и оптических свойств двухслойного WSSe

Ленточные структуры бислоев Януса WSSe I ₁ , Я _2, и я ₃ рассчитываются, как показано на рис. 3. Все три конфигурации демонстрируют фундаментальную непрямую запрещенную структуру, аналогичную структуре чистого двухслойного WS ₂ и WSe ₂ . Все максимумы валентной зоны (VBM) находятся в Γ точка, в то время как минимум зоны проводимости (CBM) находится в K точка для I ₁ и находится между K и Γ баллы за оба I ₂ и я ₃ . Непрямая запрещенная зона I ₃ рассчитано примерно на 1,3 эВ, что немного больше, чем у I ₁ и я ₂ ширина запрещенной зоны которого составляет примерно 1,0 эВ. Несмотря на то, что ширина запрещенной зоны недооценена без экранированного гибридного функционала HSE06, распределения зонной структуры не претерпели значительных изменений, и, таким образом, недооценка не окажет существенного влияния на тенденцию эволюции электронных свойств при модуляции деформации.

Ленточные структуры I ₁ , Я ₂ , и Я ₃ соответственно, где запрещенные зоны обозначены синими стрелками

Инженерия деформаций - многообещающий метод управления структурной симметрией и межслоевым взаимодействием, которое может привести к множеству очаровательных явлений. Для изучения электронной структуры бислоев WSSe, модулированных приложенной деформацией, анализируются энергетические зоны, как показано на рис. 4a – r. Когда применяется деформация сжатия от - 6 до - 2%, исходный VBM в Γ точка изменена на K точка для I ₁ и я ₃ конфигураций, хотя для I мало разнообразия ₂ . Исходный CBM на K точка переместится в положение между Γ и K баллы за все три структуры. Как только используется деформация растяжения в диапазоне 2% ~ 6%, VBM остается на уровне Γ точку, в то время как весь CBM находится в точке K.

а - г Ленточные структуры I ₁ , Я ₂ , и Я ₃ с разными штаммами - 6%, - 4%, - 2%, 2%, 4% и 6% соответственно. Запрещенные зоны обозначены пунктирными зелеными стрелками, а красные сплошные стрелки показывают основные межзонные переходы P ₁ и P ₂ соответственно

Рисунок 5 суммирует зависимую от деформации запрещенную зону для трех структур. С первого взгляда становится очевидным, что отклики запрещенной зоны на деформацию сжатия и растяжения не только с неодинаковой чувствительностью, но и с разными градиентами по мере увеличения приложенной деформации. Ширина запрещенной зоны менее чувствительна к деформации сжатия, но резко уменьшается с увеличением деформации растяжения. По мере увеличения деформации сжатия CBM обоих элементов I ₁ и я ₃ возносится к более высокой энергии, тогда как у I ₂ переключается на более низкую энергию, что приводит к небольшому уменьшению для I ₂ и увеличьте на I ₁ и я ₃ в непрямой запрещенной зоне. При наличии деформации растяжения CBM значительно уменьшается, в то время как VBM плавно повышается. Таким образом, непрямая запрещенная зона заметно уменьшается и резко уменьшается, когда деформация растяжения достигает 6%. По сравнению с напряженным монослоем Janus WSSe [34], ширина запрещенной зоны I ₁ и я ₃ показывают в целом аналогичную эволюцию с модуляциями деформации сжатия и растяжения, в то время как ширина запрещенной зоны I ₂ противоположно ведет себя под действием деформаций сжатия.

Ширина запрещенной зоны ( E _g ) по сравнению с приложенными деформациями для I ₁ , Я ₂ , и Я ₃ конструкции

Чтобы получить представление об электронной структуре бислоя WSSe в присутствии деформаций, исследуется проектируемая энергетическая зона атомной орбитали, как показано на рис. 6. Благодаря симметрии инверсии центра (рис. 1l) орбитали верхнего и нижнего слоев для I ₃ вырождены по энергии и вносят одинаковый вклад в зонную структуру. Напротив, из-за асимметрии инверсии структуры I ₁ и я ₂ , орбитали верхнего и нижнего слоев расщеплены. Приведенные выше результаты свидетельствуют о положительной корреляции между вырожденностью и структурной симметрией. Благодаря инверсионной симметрии центра I ₃ сложение, орбитали верхнего и нижнего слоев для I ₃ являются вырожденными по энергии, которые вносят одинаковый вклад в зонную структуру независимо от различных деформаций. Как показано на рис. 6g – i, и CBM, и VBM в равной степени получены из двух слоев WSSe. Напротив, из-за структурной асимметрии инверсии I ₁ и я ₂ орбитали двух слоев разделены, как показано на рис. 6a – c и рис. 6d – f. Оригинальный I ₁ Структура демонстрирует типичную гетероструктуру II типа, в которой CBM и VBM вносятся из нижнего и верхнего слоев WSSe Janus соответственно. Ориентация полосы не меняется ни под действием сжимающей, ни растягивающей деформации (рис. 6a – c). Что касается I ₂ При укладке без деформации сжатия и с ней CBM исходит из обоих слоев, а VBM исходит из верхнего слоя (рис. 6d, e). Я ₂ гетероструктура меняется на выравнивание полос типа II под действием растягивающей деформации (рис. 6f), что указывает на многообещающую перспективу разработки высокоэффективных устройств оптоэлектрического преобразования и накопления энергии [35].

Спроецированные энергетические диапазоны атомных орбиталей I ₁ , Я ₂ , и Я ₃ структуры при деформациях - 4%, 0 и 4% соответственно. Синий и красный цвета означают орбитальные вклады от верхнего и нижнего слоев соответственно

Для дальнейшего изучения эффекта спин-орбитального взаимодействия (SOC) в инженерии деформации в двойном слое WSSe, зонные структуры с учетом SOC дополнительно рассчитываются без и с деформациями - 4% и 4%, как показано на рис. 7. Обнаружено, что для всех трех конфигураций зонные структуры, включая положения импульсов VBM и CBM, запрещенные зоны и зонные распределения, демонстрируют сходную тенденцию эволюции при различных деформациях. Это говорит о том, что закономерность модуляции деформации все еще сохраняется, а эффект SOC явно не влияет на основные выводы.

а - я Ленточные структуры I ₁ , Я ₂ , и Я ₃ при деформациях - 4%, 0 и 4% с учетом эффекта SOC, где черный и растянутый цвета означают вращение вверх и вниз соответственно. Запрещенные зоны обозначены красными стрелками

С целью модуляции оптических свойств бислоя WSSe исследован отклик диэлектрической функции при изменении внешней деформации. На рисунке 8 показана комплексная диэлектрическая функция ε ^” . _xx (ε ^” _гг ) и ε ^” _zz бислоя WSSe по сравнению с приложенной деформацией. ε ^” _xx (ε ^” _гг ) смещается в область более низких энергий с увеличением деформации растяжения и, наоборот, смещается в область более высоких энергий при приложении деформации сжатия. По сравнению с ненапряженным бислоем WSSe с дипольным переходом 0,79, 1,18 и 1,15 эВ соответственно для I ₁ , Я ₂ , и Я ₃ структур, модуляция деформации позволяет получить энергию перехода в широком диапазоне от 0,24 до 1,47 эВ в ближней и средней инфракрасной областях, что может предложить широкие возможности для различных детекторов, например, инфракрасного детектора и пироэлектрического детектора.

Мнимые части рассчитанной оптической диэлектрической проницаемости ε ^” _xx (ε ^” _гг ) и ε ^” _zz для I ₁ ( а , b ), Я ₂ ( c , d ) и I ₃ ( е , f ) Бислой WSSe в зависимости от приложенной деформации, соответственно

Основные пики мнимой части диэлектрической проницаемости обозначены как P ₁ и P ₂ на рис. 8a, c и e можно отнести к основным межзонным переходам. Это достигается путем сопоставления пиковых энергий на рис. 8 с пиковыми энергиями межзонных переходов на рис. 4. При приложении деформации от -6 до 6% пиковая энергия P ₁ и P ₂ сначала увеличиваются, а затем уменьшаются. Независимо от напряжения, оба P ₁ и P ₂ было обнаружено, что пики имеют место в диапазоне энергий 1,3–3,0 эВ, что демонстрирует значительно усиленный отклик в широком спектре от ультрафиолета до видимой области ближнего инфракрасного диапазона. Широко распределенные пики должны подходить для разработки многополосных эмиттеров из метаматериалов с многообещающими фотоэлектрическими приложениями.

Контролируемая анизотропия бислоя WSSe посредством деформационной инженерии является предметом дальнейшего исследования. По сравнению с ε ^” _xx (ε ^” _гг ), ε ^” _zz демонстрирует незначительные отклонения независимо от деформации растяжения или сжатия. Это свидетельствует о том, что мнимая часть диэлектрической проницаемости обладает разными характеристиками отклика при увеличении деформации. Без деформации ε ^” _xx (ε ^” _гг ) и ε ^” _zz являются анизотропией с предпочтением преобразования E || ĉ для всех I ₁ , Я ₂ , и Я ₃ конструкции. Для любого I ₁ или Я ₃ при приложении деформации сжатия анизотропия дипольного перехода сначала усиливается, а затем ослабевает, а с деформацией растяжения всегда усиливается. Тем не менее анизотропия I ₂ усиливается с увеличением деформации растяжения и ослабевает при введении деформации сжатия. Изотропия дипольного перехода возникает, когда деформация сжатия продолжает увеличиваться до -6% ~ -4%, где как E || ĉ, так и E⊥ĉ обладают равной предпочтительностью трансформации. Таким образом, бислой WSSe с подходящей модуляцией деформации приведет к переходу от оптической анизотропии к изотропии. Поскольку экситонный эффект обычно играет важную роль в оптическом поглощении [36, 37], предпочтительность дипольных переходов, определяемая диэлектрической функцией, может быть исследована для потенциальных оптоэлектронных приложений с процессом электролюминесценции.

Было продемонстрировано, что некоторые типичные монослои TMDC с фазой 2H имеют одинаковые гексагональные решетки и сходные характеры зонной структуры монослоя [5, 33, 38, 39]. Следовательно, монослой и бислой Януса, полученные из этих материалов TMDC, таких как MXY ( M =Mo или W, X / Г =S, Se или Te и X ≠ Y ), можно было бы ожидать, что они будут обладать аналогичными зонными структурами [8, 32] и, следовательно, аналогичными электронными и оптическими свойствами, а также тенденцией к эволюции с модуляцией деформации. Таким образом, основные результаты расчетов будут иметь определенную универсальность в материалах 2H-TMDC Janus. Просматривая предыдущие отчеты, механические свойства изогнутого вне плоскости MoS ₂ были обнаружены тонкие пленки [40], электронные и оптические свойства соединений TMDC изучены [22], а энергетические щели однослойных и гетерослойных TMDC Janus могут управлять электрическим полем [41]. Сравнивая с этими работами, мы предоставляем ряд инновационных результатов в области модулированных деформацией электронных и оптических свойств двумерного двухслойного слоя Janus WSSe, который обогащает физическую коннотацию материалов Janus и обеспечивает многообещающую стратегию контроля для применения электронного и электронного оборудования следующего поколения. оптоэлектронные наноустройства.