二维PbSe和AsP半导体的第一性原理研究

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PbSe作为一种窄带隙半导体,具有高载流子迁移率,在太阳能电池、红外传感器等方面具有基础而广阔的研究及应用前景。在实验和理论计算上,对于二维Pb Se的研究还十分空缺。因此,获得这种新颖二维材料的视野显得尤为重要。二维As P作为V-V族二元物也迅速进入研究者的视野,其具有1.54e V的直接带隙,超高的载流子迁移率,是太阳能电池材料的候选者。本文通过密度泛函理论的第一性原理计算,首先探究了单层Pb Se的能带结构及其稳定性,杂化泛函(HSE06)的计算结果表明单层Pb Se具有1.85e V的直接带隙,而PBE的计算结果为1.27e V。声子谱的计算结果表明单层Pb Se的动力学稳定性。紧接着研究了单层Pb Se的应变效应。单层Pb Se在x和y方向上表现出各向同性的光电特性。通过对比PBE和杂化泛函的计算结果,发现两种方法给出了应变对带隙的影响结果一致。我们还发现,二维Pb Se的直接带隙可以通过应变来调节。PBE的计算结果显示,在x方向施加压缩应变为-11%时,观察到二维Pb Se由半导体转变成了金属性。此外,单层Pb Se在紫外区域到红外区域具有宽的光学吸收光谱。随双轴拉伸应变的增大,单层Pb Se在可见光范围内的光吸收谱出现了一定程度的蓝移。而随着双轴压缩应变的增大,单层Pb Se在可见光范围内的光吸收谱出现了红移现象并且在紫外区的光吸收系数显著提高,可达到10~6cm-1数量级。单层Pb Se的功函数为4.43e V,通过施加双轴应变,二维Pb Se的功函数可以从3.60e V调控到5.31e V。单层Pb Se显示出小的有效质量,当施加双轴拉伸应变时,发现二维Pb Se中电子的有效质量显著增加。这些结果表明,应变可调的二维Pb Se在光电器件中具有潜在的应用前景。单层AsP适中的直接带隙在光学应用中非常有利。本文也研究了单层As P的应变效应。我们发现单层As P表现出很强的各向异性,并且锯齿型方向比扶手椅型方向更倾向于抵抗弹性变形。发现在锯齿型方向施加应变时,压缩应变和拉伸应变均引起带隙从直接-间接-直接的转变,而在扶手椅型方向上小于-3%的应变引起带隙从直接到间接的转变,对于双轴应变,从直接带隙过渡到间接带隙的发生在-3%和3%。电子和空穴在扶手椅型方向上的有效质量比锯齿型方向小一个数量级,表明电子和空穴更倾向于在扶手椅型方向上输运。此外,单层As P的有效质量可以通过应变显著调节。因此,我们可以通过这种方法来实现调控载流子迁移率的目的。
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