InTe及其Janus结构光电性质的第一性原理研究

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随着石墨烯的制备和开发,二维(2D)材料逐步进入人们的视野,并成为科学研究的焦点,主要因为二维材料拥有诸多独特电子性质,磁性特征,光学和机械性能使其在各种领域得到广泛应用。我们的生产生活离不开电子设备,与此同时光电转换也占据重要地位,因此材料的开发往往涉及讨论其电子性质与光学性质,进而预测其在光电子器件等方面的实际应用。本文基于密度泛函理论(DFT)的第一性原理计算方法,研究了In Te及其Janus结构的动力学稳定性、电子性质、光学性质,得到的研究结果旨在于为二维材料在光电子器件中的设计与应用提供一些理论支持。主要涉及的研究内容包括以下两部分:1、受异乎寻常的二维碳纳米材料即石墨烯的启发,单层group-III单硫族化合物在材料科学和器件物理领域展现出广阔的应用前景。在这项工作中,选取类石墨烯材料碲化铟(In Te)为研究对象,基于第一原理计算,通过使用DFT计算并讨论了单层碲化铟(In Te)的结构特性、电子性质和光学性质。发现单层碲化铟由于两侧均为碲原子,电负性相同,并且其电荷分布非常均匀。能带结构图表明单层碲化铟具有间接带隙特征,其禁带宽度为1.286 e V,价带顶(VBM)和导带底(CBM)的能量占据态分别由铟原子和碲原子贡献。计算结果还表明,单层碲化铟的光吸收能力比较突出,并且它的吸收光谱范围可从紫外光区域延伸到可见光区域,反映了其具有宽光谱的光捕获能力,在光学器件方面有很好的应用前景。进一步分析介电函数可知,In Te的优良光吸收能力与其价带和导带之间的电子跃迁紧密相关。另外,我们发现单层碲化铟在紫外区域的吸收系数高达10-5/cm,这表明碲化铟在紫外光检测器和光伏器件的应用中具有一定的优势。2、单层硒化铟是一种面外高度对称二维层状材料,通过打破镜面对称性我们构建了异面的铟硒碲结构,即将硒化铟的一层硒原子替换为碲原子,得到Janus铟硒碲(In2Se Te)。通过深入研究单层Janus In2Se Te的结构稳定性、电子性能和光学性能,我们发现与本征硒化铟和碲化铟相比,Janus In2Se Te结构具有直接带隙的半导体结构特征,且在红外光区域具有明显的吸收峰。同时,由于结构的面外不对称性和层内的静电势差,Janus In2Se Te结构具有偶极矩,这能够有效地促进了光生电子-空穴对的分离。该部分研究结果表明,我们提出的这种新颖的Janus结构可应用于构筑自供电光电器件。
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