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基于第一性原理的掺杂单层WS2的光电效应

2021-04-17袁秋明徐中辉

人工晶体学报 2021年3期

袁秋明,陈 妍,徐中辉,罗 兵,陈 圳

(1.江西理工大学信息工程学院,赣州 341000;2.江西理工大学电气工程与自动化学院,赣州 341000)

0 引 言

二维过渡金属硫化合物(two dimensional transition metal dichalcogenides)由于其优异的电学和光电特性,已成为下一代电子和光电器件的潜在材料[1-3]。作为二维过渡金属硫化合物的一员,二维WS2材料因其独特的物理和化学性质引起了广泛的关注[4-5]。WS2的带隙取决于具体的结构,例如,块体WS2的间接带隙为1.29 eV,而单层WS2的直接带隙为1.81 eV[6]。其独特的层状结构,使其获得有约140 cm2/(V·s)的高电子迁移率[7];WS2在微电子及光电领域也得到了广泛应用,例如场效应晶体管[8-10]、太阳能电池[11]、光电导[12]等。

对于缺乏空间反演对称性的器件,在没有任何外部电压的情况下,通过偏振光的照射可以产生可检测的电流,这种现象被称为光电流效应[13]。光电流效应可以由圆偏振光或线偏振光引起,它们分别被称为圆光电效应(circular photogalvanic effect)和线光电效应(linear photogalvanic effect)。最近,人们在许多材料中可以观察到光电流现象,例如在硅金属氧化物半导体场效应晶体管和硅纳米线[14-15]、GaAs/AlGaAs(一种二维电子气体)[16],拓扑绝缘体[17],以及石墨烯PN结和单层掺硫黑磷[18-19]等材料中均可以观察到光电流现象。二维过渡金属硫化合物(TMDs)具有固定的空间反演对称性,原始单层MoS2和WSe2的对称性为D3h,由于D3h对称性不是逆对称,缺乏一定的空间反演对称性,因此可以产生光电流,但是D3h对称性是相对较高对称的,光电流可能很小。而这种空间反演对称性可以通过掺杂[20],形成材料异质结[21]等一些方式来打破。……

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