【摘 要】
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自石墨烯的成功制备以来,二维材料在光电子学领域的前景就受到了人们的关注,其中过渡金属硫族化合物由于其电子结构的非对称性以及光电子学领域的优异性质而备受关注。近年来
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自石墨烯的成功制备以来,二维材料在光电子学领域的前景就受到了人们的关注,其中过渡金属硫族化合物由于其电子结构的非对称性以及光电子学领域的优异性质而备受关注。近年来,1T相PtSe2的成功制备,引起了人们对Pt的硫族化合物的极大关注。单层的PtSe2具有高的载流子迁移率、适中的带隙和高的光吸收系数。已有研究表明,PtSe2的Janus结构同样具有优异的光学性质。然而,PtSe2及其Janus结构均是间接带隙半导体,极大的限制了其在光电子学领域的应用。构建范德瓦尔斯异质结是调制这类材料带隙类型的有效方法。本文通过第一性原理计算方法,从理论上探索基于1T-PtSe2及其Janus结构与III-VI化合物构建具有直接带隙的范德瓦尔斯异质结。并获得以下结论:(1)从理论上构建了基于单层SePtTe和InS的新型范德瓦尔斯异质结结构。我们系统研究了SePtTe/InS异质结可能形成的四种堆垛结构,并通过对比带隙类型、束缚能等性质,最终确立了以AA2堆垛的新型范德瓦尔斯异质结,结果表明该新型异质结是典型的直接带隙的Type-II型vd W异质结,能够实现电子空穴对的自发分离,提高光电转换效率。此外,还发现相较于单层SePtTe和InS,SePtTe/InS异质结同时具备了SePtTe与InS的优异光学性质,光吸收系数可以达到105数量级,并且相对于SePtTe与InS拥有更宽的光谱响应。(2)研究了应力对新型SePtTe/InS范德瓦尔斯异质结光电性质的影响,说明了SePtTe/InS范德瓦尔斯异质结在双轴应变下的电子性质和光学性质的稳定性。即由于晶格失配导致SePtTe/InS异质结发生的面内应变,不会影响其本身的直接带隙,Type-II型能带排列等电子性质和优异的光学性质。而通过垂直应力改变异质结层间距,则可以实现对SePtTe/InS异质结电子带隙大小、带偏移大小以及能带排列等性质的有效调控,进而增强光电转换效率。(3)研究了外电场对SePtTe/InS范德瓦尔斯异质结光电性质的调控。研究发现,在对异质结施加外电场时,能促进或者抑制电荷在异质结中的转移,即能够对异质结中的电荷密度进行调整分布,进而对异质结的带隙类型、大小和带偏移等电子性质进行有效的调控。进一步研究发现,无论是通过外电场还是应力的调控,异质结始终保持着高的光学吸收系数以及宽的吸收光谱。更有意思的是,在外电场和垂直应力的调控下带隙和带偏移的大小可以被调制到太阳能电池光电转化效率最高的能量范围(0.3e Vg<3e V,ΔEc<1.0e V)。这些性质有利于异质结在光电器件领域的实现广泛应用。
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