MoSSe/InX(X=S,Se)异质结电子结构及光催化性能研究

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随着2004年石墨烯的发现,二维(2D)材料因其独特的结构和优异的物理化学性能而得到广泛的研究和应用。在过去的几十年中,出现了大量其他的二维材料,如过渡金属硫族化合物(TMDs)、六方氮化硼(h-BN)、硅烯、Ⅲ族单硫族化合物、Mxenes等。由于较大的比表面积、良好的光学性质和较高的载流子迁移率它们被广泛应用于光电器件、储能、光催化、传感等领域。2017年通过化学气相沉积(CVD)法合成的MoSSe单层因为打破了MoS2的面外镜面对称结构而存在内建电场,具有合适的禁带宽度、独特的层状结构、良好的稳定性和可见光吸收强度从而引起了研究者的广泛关注。此外,Ⅲ族硫族化合物(InX,X=S,Se)作为一种新型的二维材料,因为具有宽禁带、高电子迁移率、良好的热电性能和光学响应而在光电器件中也备受关注。目前,InSe和InS单层都可以通过机械或溶剂剥离法获得。另一方面,为了获得高性能器件,人们将两种或两种以上不同的二维材料搭建成范德华异质结构。它既能结合单层二维材料的优点,又能产生其他一些有趣的物理性能和现象,具有广泛的应用价值。人们还通过掺杂,缺陷和施加外场的方法调节异质结构的电子结构和光学性质进行进一步研究。本文基于密度泛函理论(Density Functional Theory,DFT)通过第一性原理计算研究了MoSSe/InX(X=S,Se)异质结构的电子结构和光学性质,并讨论了在双轴应变调制下异质结构各方面性质的变化,从而为此类异质结构物理结构和性质方面的研究提供了一些理论支持。本文主要研究内容具体如下:1.MoSSe/InSe异质结构的应变可调性质研究基于密度泛函理论的第一性原理计算,研究了MoSSe/InSe异质结构两种不同构型的电子结构和光学性质,并讨论了双轴应变对其带隙和光吸收的影响。理论研究表明,MoSSe/InSe异质结是间接带隙并且有两类不同的堆叠方式分别具有type-I型和type-II型的能带排列结构。与MoSSe和InSe单层相比异质结构的带隙变窄,在可见光区域和紫外区域内光吸收得到了显著的提高。此外,在双轴应变下两种MoSSe/InSe异质结构的带隙可以得到有效调制,在可见区域和紫外区域的光吸收呈不同的变化趋势,并且能带的排列方式也会发生变化。这项工作为MoSSe/InSe范德华异质结构在光学器件、电子器件和光催化方面的应用提供了可能性。2.Type-Ⅱ型MoSSe/InS异质结构的能带排列和光催化性质基于密度泛函理论的第一性原理计算,研究了MoSSe/InS异质结构的电子结构和光学性质。结果表明,MoSSe/InS异质结构是一种间接带隙半导体,电子和空穴分别位于InS侧和MoSSe侧,具有type-II型的能带排列。在MoSSe/InS异质结构中不同方向上的载流子迁移率略高于构成的单层。当施加双轴应变时,MoSSe/InS异质结构的带边位置、带隙和光吸收是可调的,其中带隙基本随着应力增大而减小,带边位置一直处于氧化电位两侧,期望可以应用于光催化领域。此外,与MoSSe和InS单层膜相比,MoSSe/InS异质结构在可见光和紫外区域的光吸收性能得到了改善。这些发现表明,应力可以有效调制MoSSe/InS异质结构的电子结构和光学性质,这为这类范德华异质结构在光电子器件中的应用提供了思路。
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