【摘 要】
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2004年,二维石墨烯被成功制备,因其高的载流子迁移率,良好的导电性和反常量子霍尔效应等优异性能,促使人们探索其它类石墨烯二维材料。二维材料种类繁多,大致可分为金属、半
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2004年,二维石墨烯被成功制备,因其高的载流子迁移率,良好的导电性和反常量子霍尔效应等优异性能,促使人们探索其它类石墨烯二维材料。二维材料种类繁多,大致可分为金属、半导体、绝缘体等,例如,氮化硼、过渡金属硫化物、黑磷等涵盖了元素周期表中大多数元素的化合物,从而形成了丰富的光、电、磁等物理化学性质,意味着它们在光电子、自旋等新型电子器件领域有较大的应用前景。此外,二维材料相邻层之间依靠范德华力结合,通过组装不同类型的二维层状材料以构建范德瓦尔斯异质结可以有效地调节二维材料的性能,例如,二硫化钼与g-C3N4构建异质结不仅可以克服二硫化钼易光腐蚀的缺点还可以提高材料的光吸收系数,从而扩宽其应用领域。本文我们基于密度泛函理论,详细研究了以SnS2为基的几种二维范德瓦尔斯异质结,主要包括SnS2/n-BN多层异质结、GeSe/SnS2(SnSe2)p-n结和SnS2/polyphenylene异质结,通过对其光电性质的研究和外界因素的影响,探索出了更多新的超出相应单组分的潜在应用前景。主要研究结果如下:(1)对于SnS2/n-BN多层异质结,我们的计算结果表明异质结体系始终维持直接带隙,类型II能带排列,导带底和价带顶分别由SnS2和BN贡献,从而实现了较高的载流子分离效率,n表示BN层数;此外,我们研究了BN层数和外电场对异质结电学性质的调控,结果表明随着BN层数的增加,异质结的带隙和功函数逐渐降低并趋于稳定值;通过施加外电场,不同层数BN异质结体系都可以从直接带隙转变为间接带隙类型,能带排列也可以在类型II与类型I之间转变。(2)对于GeSe/SnS2(SnSe2)p-n结,我们的计算结果表明GeSe/SnS2(SnSe2)p-n结显示类型III能带排列,特殊的电子结构促使了载流子可以通过隧穿窗口从GeSe层转移到SnS2(SnSe2)层,从而大大提高载流子隧穿效率,此种隧穿方式称为带带隧穿机制;此外,施加外电场可以有效调控异质结电学性质,例如,负电场可以维持异质结类型III能带排列并增大隧穿窗口,提高载流子隧穿效率;而正电场可以将类型III能带排列转变为类型II或类型I能带排列,这对GeSe/SnS2(SnSe2)异质结在隧穿场效应晶体管领域的应用具有指导性意义。(3)对于SnS2/polyphenylene异质结,我们的计算结果表明其具有类型II能带排列,能够实现较高的载流子分离率,且异质结在可见光和紫外区域具有较高的吸收峰;此外,Bader电荷分析表明,通过施加应变可以有效调控SnS2与polyphenylene之间的相互作用,从而能够有效调控异质结的电学性质;外电场不仅可以有效地调控异质结带隙,还可以将类型II异质结转变为类型I或类型III能带排列,这些理论预测结果揭示了二维SnS2/polyphenylene异质结在新型纳米光电器件领域具有较大的应用前景。
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