【摘 要】
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自从21世纪初石墨烯问世以来,二维材料由于其优异的物理性质迅速成为低维纳米材料领域的研究热点,多种新型二维材料在实验上相继成功制备,如h-BN,Mo S2和磷烯等。二维Ⅳ/Ⅵ主族单硫化合物MX（M=Sn,Ge;X=Se,S,Te）是一类结构与磷烯相似的类黑磷材料,凭借自身合适的带隙、高载流子迁移率与充裕的地球储量等特点,在太阳能电池、光电转换器等领域有广阔的应用前景。但目前对于二维Ⅳ/Ⅵ主族单硫化
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自从21世纪初石墨烯问世以来,二维材料由于其优异的物理性质迅速成为低维纳米材料领域的研究热点,多种新型二维材料在实验上相继成功制备,如h-BN,Mo S2和磷烯等。二维Ⅳ/Ⅵ主族单硫化合物MX（M=Sn,Ge;X=Se,S,Te）是一类结构与磷烯相似的类黑磷材料,凭借自身合适的带隙、高载流子迁移率与充裕的地球储量等特点,在太阳能电池、光电转换器等领域有广阔的应用前景。但目前对于二维Ⅳ/Ⅵ主族单硫化合物的研究主要集中在其单一本征二维材料中,对它们之间构建异质结的研究还非常缺乏。在本文中,我们在层状Ⅳ/Ⅵ主族单硫化合物MX的晶格特征和实验研究进展的前提下,采用基于密度泛函理论的第一性原理计算系统地研究了基于Sn Se和Ge Te的Sn Se/Ge Te横向和垂直异质结的结构、电子与光学性质,发现这些异质结不仅具有优良的光学性质,而且具有单一材料不具备的type-II型能带排列,在光电子领域应用潜力非凡。（1）我们首先研究了SnSe/GeTe横向异质结,结果表明该种异质结在一维拼接界面沿扶手型方向和锯齿型方向时均可稳定存在,它们的晶格失配和形成能都非常小,而且在界面附近通过共价键连接,具有良好的稳定性,这对异质结构的外延生长非常有利。同时这些异质结构是具有type-II型能带带边排列的半导体,它们的电子性质可以通过改变异质结构的尺寸和组成比有效地调谐。更重要的是,我们发现这些异质结构在广泛的可见光范围内具有较高的吸收能力和较大的光电转换效率（19.4%～22.3%）。太阳能作为一种理想的解决世界能源短缺问题的环境友好型能源,目前还缺乏将太阳光能转换成电能的高效转换材料。我们的Sn Se/Ge Te横向异质结具备的优异光电特性使其成为光伏应用的理想候选材料。（2）考虑到二维材料不同的拼接方式,我们还将单层Sn Se和Ge Te在竖直方向上进行堆叠,构建了Sn Se/Ge Te垂直异质结（范德瓦尔斯异质结）。相对于横向异质结,垂直异质结对于晶格失配的要求更低,在层间范德瓦尔斯力的作用下往往拥有独特的性质。我们对Sn Se/Ge Te垂直异质结同样计算了其光电性质,包括能带结构、能带带边排列和光吸收系数等,发现其在可见光范围内的光吸收表现非常卓越。同时对于Sn Se/Ge Te垂直异质结,为了尝试对其光电性质进行一定的调控,我们采取了施加应力的方法对其进行了研究,通过计算表明Sn Se/Ge Te垂直异质结的能带结构在施加双轴应力的情形下变化较为明显,光学性质却很稳定,而且其光电转换效率有了明显的提升,这说明Sn Se/Ge Te垂直异质结同样具有潜在的光伏应用。
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