掺杂调控二维范德瓦尔斯异质结PbI2/WS2能带及性能研究

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范德瓦尔斯异质结通过层间组装、堆积,可以整合不同种类材料的优异性能,进一步优化二维材料的光电性能。范德瓦尔斯异质结拥有不同类型的能带排列方式从而展现出惊奇的性能和新颖的现象,推动光电探测器件及光电应用领域的发展。异质结的能带排列方式决定器件的性能及应用领域:Type-I异质结一般应用在发光领域,Type-II适用于光催化及光电探测器等领域,Type-III常见于隧穿场效应晶体管(TFETs)。因此探讨在单一异质结中如何实现多种能带类型排列的调控具有重要的意义。但如果想要实现单一异质结之间能带排列的可控转变,达到进一步修饰范德华异质结性能的目的,依然是一项具有挑战性的课题。常见的调控方法有电场、掺杂、应变、缺陷等,而电场、压力调控会破坏材料结构,缺陷调控在实验中难以操控,而离子掺杂是调控带排列的一种简便可行的方法。本文搭建了由层状二维材料PbI2与过渡金属二硫化物中的WS2组成的异质结体系,通过控制化学组分的比例将其中单层WS2的S原子部分替换为Se原子。探究单一异质结PbI2/WS2实现能带类型转变后电子及光学性质的提高的内部物理机制。本文主要的研究内容如下:(1)利用单层PbI2和WS2作为原模型,搭建PbI2/WS2异质结并选择失配比小于5%及合适原子数目的晶体结构模型。确定0%、50%、100%的Se离子掺杂的比例。并针对同一掺杂比例即50%下PbI2/WSSe的构型计算出结合能,最终选出最稳定即结合能最小的异质结构型。基于第一性原理的密度泛函理论,通过理论计算得到的单体、异质结的能带图、态密度图、界面电荷转移图、光吸收图、有效质量,对其内部机理进行透彻分析并具体解释调控能带类型的相关机理。(2)理论计算结果表明异质结能带排列将发生由Type-I→Type-II的转换,Se离子的引入使PbI2/WS2异质结的结合能和带隙逐渐减小。当S原子被Se全部替换时即形成PbI2/WSe2异质结时其有效质量(m*)拥有最小值,在[100]、[010]方向的计算值分别为0.29、0.49。经离子掺杂后的异质结光吸收性能得到进一步提升,与单层PbI2相比仍有很大提升。因此在异质结中通过化学组分调控能带类型排列在未来的光电应用及光电探测技术等领域中具有更重要的意义。
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