新型二维半导体异质结GeSe/GeS光电性质的理论研究*

2022-07-29王玉平

光源与照明 2022年4期

王玉平

新乡学院物理与电子工程学院，河南新乡 453000

0 引言

近十年，不同类型的二维半导体材料相继得到实验和理论研究，这些新型二维半导体材料具备金属、半导体和绝缘体的性质，并表现超越石墨烯的光电特性[1-2]。因此，二维半导体材料被期望应用在新一代高性能纳米电子和光电子器件领域。

在众多新型二维半导体材料中，二维半导体材料GeS和GeSe由于自然界含量丰富、无毒和具备合理带隙等优点受到人们的高度关注。研究显示，该材料具有正交层状结构，层与层之间通过较弱的范德瓦尔斯力相互作用。实验证明，二维GeS和GeSe具有较高的光响应度和较快的光响应时间，多层GeS基光探测器也具有较高的外量子效率[3]。另外，二维GeS和GeSe中存在明显的各向异性压电系数，且应变对各向异性的电子结构和光学性质也有着明显不同的影响[4]。研究人员采用第一性原理方法研究了单层GeS材料，发现其有较高的激子结合能[5]。

1 二维半导体材料概述

二维半导体材料包括石墨烯和过渡金属二硫族化合物，由于具有优良的物理光电性能而受到广泛关注。其光电性能包括较高的载流子迁移率、可弯曲性、完全透光性、良好的场效应和光敏、气敏性能等，二维半导体材料在未来的光电子领域具有广阔的应用前景。近年来，由不同二维半导体材料叠加而成的范德瓦尔斯异质结也逐渐成为人们的研究热点，异质结层间由弱范德瓦尔斯作用结合，能带带阶通常为Ⅱ型结构，除了具有单一组分的光电性质，还可以表现出异质结独特的物理性能和器件功能。文章主要采用基于密度泛函理论的第一性原理方法，研究了多种二维半导体材料及范德瓦尔斯异质结的物理结构与光电性能，并探索了多种外界条件对其电子结构的影响，进一步预测了其在光电子器件中的应用价值。

2 模型和计算方法

研究使用第一性原理模拟软件包VASP。VASP（Vienna Ab-initio Simulation Package）是基于DFT的最常用的第一性原理计算软件，由维也纳大学Hafner小组开发，是进行电子结构计算的量子力学-分子动力学模拟软件包[6]，文章中的所有计算模拟全部采用VASP软件包。采用PAW势[7]描述价电子与原子实的关系，采用GGA[8]、Monkhorst-Pack[9]方法，K-point选用7×6×1，真空能级为20 Å，以避免层间作用的影响。计算截断能为350 eV，能量的收敛精度为10-5eV，能量收敛标准为0.001 eV。

3 研究过程与结果讨论

3.1 构型稳定性

使用二维半导体材料GeS和GeSe搭建不同构型的异质结GeS/GeSe，如图1所示，通过结构的优化与静态自洽，得到二者的能量分别为-35.01 eV和-36.28 eV。选用能量稳定的第二种异质结进行后续的性质计算与分析。

图1 GeS/GeSe的结构示意图

3.2 能带与态密度

GeS/GeSe的能带图如图2所示，可以看出GeS/GeSe为间接带隙二维半导体材料。

图2 GeS/GeSe能带图

3.3 Bader电荷分析与功函数

GeS/GeSe的电荷转移情况如表1所示。

表1 GeS/GeSe的Bader电荷分析

3.4 应变对GeS/GeSe材料的作用

对GeS/GeSe材料施加正向与负向的应变，发现材料的带隙产生了较大的改变，如图3所示。施加负向-1%～-5%的应变，带隙由原来的0.978 7 eV向0.027 2 eV变化，每节变化趋势近乎相同；施加正向1%～5%的应变，带隙呈现增加趋势，在4%附近时带隙达到最大，为1.37 7 eV，之后有减小的趋势。

图3 GeS/GeSe带隙随应变的变化

能带及态密度随-5%～5%的应变的变化如图4、图5所示。分析-5%～5%应变下的能带，正向的应变会导致导带轨道能量提高，从而使带隙增加；而负向的应变主要影响导带的轨道能级，但同时价带也有不明显的变化[10-11]。

图4 GeS/GeSe能带随应变的变化

图5 GeS/GeSe态密度随应变的变化

3.5 光吸收

GeS/GeSe光吸收曲线如图6所示，可以看出GeS/GeSe对于紫外光线的吸收性能最佳，对于可见光的吸收也有较大的范围。施加正向应变，GeS/GeSe光吸收曲线产生了红移，降低了可见光的吸收能力[12]；施加负向应变，GeS/GeSe光吸收曲线产生了蓝移，同时对于500 nm和紫外300 nm波长附近的可见光的吸收能力有比较大的加强，而对280 nm波长的吸收能力最弱，在这个范围形成了一个近乎y=x3的函数关系曲线。