基于SnS2与SnSe2的范德瓦尔斯异质结电子结构的第一性原理研究

来源 :国防科技大学 | 被引量 : 0次 | 上传用户:a2009090720
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二硫化锡(SnS2)与二硒化锡(SnSe2)同属层状金属硫族化合物,在地球上储量丰富,是对环境友好且无毒的间接带隙半导体。在二维材料研究热潮的推动下,高质量的几层至单层的SnS2和SnSe2也已经通过化学或物理剥离的手段成功制备出来,并应用于电子与光电器件当中。最近,基于SnS2和SnSe2的范德瓦尔斯异质结(Van der Waals Heterostructures,vd WH)的报道也开始涌现。然而,迄今为止,基于二硫化锡与二硒化锡的范德瓦尔斯异质结的研究仍然很不充分,更多可能的结构仍然未知,更多可能的性质尚待探索。因此,本文主要通过第一性原理计算的研究方式,对六种基于SnS2和SnSe2的范德瓦尔斯异质结的电子结构进行了研究,包括graphene/SnS2(SnSe2)、Hf S2/SnS2(SnSe2)和Zr S2/SnS2(SnSe2)。本文首先计算了几种二维材料单层的带隙及能带排布,然后对六种范德瓦尔斯异质结的电子结构进行了更深入的分析。计算结果表明,除了包含石墨烯的异质结表现为金属以外,其它四种异质结都是具有间接带隙的半导体,且根据安德森定理推断,其中Zr S2/SnS2和Hf S2/SnSe2为Ⅰ型异质结,Zr S2/SnSe2和Hf S2/SnS2异质结为Ⅱ型异质结。为了满足不同器件的不同需求,可调控的电子性质对二维材料的应用有非常重要的作用,且对二维材料施加外部的应力是实现调控的重要手段之一。因此,本文还特别关注了平面内双轴应力对Hf S2/SnS2(SnSe2)和Zr S2/SnS2(SnSe2)四种半导体异质结材料性能的影响。结果表明,无论是压缩应力还是拉伸应力都可以有效地调控基于SnS2与SnSe2异质结的能带结构,且由压缩应力所引起的带隙的减小最终会导致异质结从半导体到金属的相变。此外,由应力导致的异质结能带边沿形状的变化还会影响载流子的有效质量,暗示了载流子迁移率也受到应力作用的调控。通过对异质结态密度和电荷密度差的分析表明,应力对异质结电子结构调控的作用机理在于改变了原子间的距离,进而改变了原子轨道的交叠状态,导致了能态的变化以及层间电荷的转移。本文的研究表明基于SnS2与SnSe2的范德瓦尔斯异质结的电子结构可以受到平面内双轴应力的有效调控,有望应用于未来新一代的纳米电子与光电器件中。
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