关于MoSi2N4异质结光电性质的理论研究

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近年来,二维材料由于其优异的性能和广阔的应用前景而备受关注,尤其是在石墨烯的发现之后,更是取得了重大突破。由二维半导体材料构成的范德华异质结更是由于其不仅能够保留二维材料的原有特性,而且会产生新的物理性质而得到广泛应用。半导体异质结构是固态物理学的重要组成部分,可调节、控制半导体晶体与器件的参数。本论文通过第一性原理计算深入的研究了Cs Pb I3/Mo Si2N4和Cs3Bi2I9/Mo Si2N4两种垂直范德华异质结的电学性质与光学性质。首先,本论文研究了Cs Pb I3/Mo Si2N4异质结。近年来,不含任何挥发性有机成分的Cs Pb I3无机钙钛矿因其优异的化学稳定性与合适的带隙而备受关注。Cs Pb I3被认为是所有Cs Pb X3(X=Cl,Br,I)中最有前途的光伏材料之一,它具有适当的光学吸收范围和优异的光电性能,可大大减少厚度以有效促进光子的利用。尽管全无机钙钛矿Cs Pb I3器件性能优异,但其仍有一些性能低于混合钙钛矿器件。Mo Si2N4是一种间接带隙半导体,具有环境稳定性、高电子空穴迁移率。本论文构建了不同接触界面(Cs-I接触界面和Pb-I)接触界面)的Cs Pb I3/Mo Si2N4异质结,利用第一性原理计算进行了系统的研究。通过对其结合能的计算来确保异质结构的稳定性,研究结果表明单层Cs Pb I3和单层Mo Si2N4的电子能带结构几乎保留在Cs Pb I3/Mo Si2N4异质结中。以Cs-I和Pb-I为终端接触界面的Cs Pb I3/Mo Si2N4异质结分别具有0.60 e V的间接带隙和0.80e V的直接带隙,两种异质结构均表现出Ⅱ型能带排列结构,说明其可以有效促进光生载流子的空间分离。通过对光吸收谱的研究发现,在以Cs-I为终端接触界面的Cs Pb I3/Mo Si2N4异质结中,光吸收系数在紫外区域得到了增强;以Pb-I为终端接触界面的Cs Pb I3/Mo Si2N4异质结中,光吸收谱在整个区域均有不同程度的增强,尤其是在可见光区域。综上,Cs Pb I3/Mo Si2N4异质结在光电器件的应用领域具有重要潜力。其次,本论文研究了Cs3Bi2I9/Mo Si2N4异质结。二维三价金属基三元卤化物钙钛矿A3B2X9(A=MA,Cs;B=Bi,Sb;X=Cl,Br,I)被认为是很有前景的高性能光伏应用材料。此外,铋基钙钛矿表现出更好的稳定性和更广泛的光伏应用。本论文通过使用第一性原理计算从理论上研究了二维Cs3Bi2I9/Mo Si2N4范德华异质结的结构稳定性、电子特性、电荷传输机制和光学特性。研究结果表明,二维Cs3Bi2I9/Mo Si2N4异质结构具有直接带隙和Ⅱ型异质结能带结构,这是由于从Mo Si2N4层到Cs3Bi2I9层的电子转移引起的内置电场可以防止光生电子与光生空穴再重组,从而提高载流子寿命。此外异质结构在可见光和紫外光区域的光吸收增强,其电子特性在平面内应变下课进行调节,具有明显的金属-半导体转变。最后,我们探索了更多A3B2X9/MA2Z4范德华异质结(其中,在A3B2X9中,A=Cs;B=In,Sb;X=Cl,Br,I;在MA2Z4中,A=N,P;M=Cr,Mo,Ti),并找到了所有能带对齐类型的异质结构(Ⅰ型,Ⅱ型和Ⅲ型)。综上,我们的研究为钙钛矿基异质结构在电学和光学性质方面提供了全面的理论理解,并表明其在光电器件中的潜在应用。
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