新型二維半導體異質結GeSe/GeS光電性質的理論研究*

王玉平

新鄉學院 物理與電子工程學院，河南 新鄉 453000

0 引言

近十年，不同類型的二維半導體材料相繼得到實驗和理論研究，這些新型二維半導體材料具備金屬、半導體和絕緣體的性質，并表現超越石墨烯的光電特性[1-2]。因此，二維半導體材料被期望應用在新一代高性能納米電子和光電子器件領域。

在眾多新型二維半導體材料中，二維半導體材料GeS和GeSe由于自然界含量豐富、無毒和具備合理帶隙等優點受到人們的高度關注。研究顯示，該材料具有正交層狀結構，層與層之間通過較弱的范德瓦爾斯力相互作用。實驗證明，二維GeS和GeSe具有較高的光響應度和較快的光響應時間，多層GeS基光探測器也具有較高的外量子效率[3]。另外，二維GeS和GeSe中存在明顯的各向異性壓電系數，且應變對各向異性的電子結構和光學性質也有著明顯不同的影響[4]。研究人員采用第一性原理方法研究了單層GeS材料，發現其有較高的激子結合能[5]。

1 二維半導體材料概述

二維半導體材料包括石墨烯和過渡金屬二硫族化合物，由于具有優良的物理光電性能而受到廣泛關注。其光電性能包括較高的載流子遷移率、可彎曲性、完全透光性、良好的場效應和光敏、氣敏性能等，二維半導體材料在未來的光電子領域具有廣闊的應用前景。近年來，由不同二維半導體材料疊加而成的范德瓦爾斯異質結也逐漸成為人們的研究熱點，異質結層間由弱范德瓦爾斯作用結合，能帶帶階通常為Ⅱ型結構，除了具有單一組分的光電性質，還可以表現出異質結獨特的物理性能和器件功能。文章主要采用基于密度泛函理論的第一性原理方法，研究了多種二維半導體材料及范德瓦爾斯異質結的物理結構與光電性能，并探索了多種外界條件對其電子結構的影響，進一步預測了其在光電子器件中的應用價值。

2 模型和計算方法

研究使用第一性原理模擬軟件包VASP。VASP（Vienna Ab-initio Simulation Package）是基于DFT的最常用的第一性原理計算軟件，由維也納大學Hafner小組開發，是進行電子結構計算的量子力學-分子動力學模擬軟件包[6]，文章中的所有計算模擬全部采用VASP軟件包。采用PAW勢[7]描述價電子與原子實的關系，采用GGA[8]、Monkhorst-Pack[9]方法，K-point選用7×6×1，真空能級為20 ?，以避免層間作用的影響。計算截斷能為350 eV，能量的收斂精度為10-5eV，能量收斂標準為0.001 eV。

3 研究過程與結果討論

3.1 構型穩定性

使用二維半導體材料GeS和GeSe搭建不同構型的異質結GeS/GeSe，如圖1所示，通過結構的優化與靜態自洽，得到二者的能量分別為-35.01 eV和-36.28 eV。選用能量穩定的第二種異質結進行后續的性質計算與分析。

圖1 GeS/GeSe的結構示意圖

3.2 能帶與態密度

GeS/GeSe的能帶圖如圖2所示，可以看出GeS/GeSe為間接帶隙二維半導體材料。

圖2 GeS/GeSe能帶圖

3.3 Bader電荷分析與功函數

GeS/GeSe的電荷轉移情況如表1所示。

表1 GeS/GeSe的Bader電荷分析

3.4 應變對GeS/GeSe材料的作用

對GeS/GeSe材料施加正向與負向的應變，發現材料的帶隙產生了較大的改變，如圖3所示。施加負向-1%～-5%的應變，帶隙由原來的0.978 7 eV向0.027 2 eV變化，每節變化趨勢近乎相同；施加正向1%～5%的應變，帶隙呈現增加趨勢，在4%附近時帶隙達到最大，為1.37 7 eV，之后有減小的趨勢。

圖3 GeS/GeSe帶隙隨應變的變化

能帶及態密度隨-5%～5%的應變的變化如圖4、圖5所示。分析-5%～5%應變下的能帶，正向的應變會導致導帶軌道能量提高，從而使帶隙增加；而負向的應變主要影響導帶的軌道能級，但同時價帶也有不明顯的變化[10-11]。

圖4 GeS/GeSe能帶隨應變的變化

圖5 GeS/GeSe態密度隨應變的變化

3.5 光吸收

GeS/GeSe光吸收曲線如圖6所示，可以看出GeS/GeSe對于紫外光線的吸收性能最佳，對于可見光的吸收也有較大的范圍。施加正向應變，GeS/GeSe光吸收曲線產生了紅移，降低了可見光的吸收能力[12]；施加負向應變，GeS/GeSe光吸收曲線產生了藍移，同時對于500 nm和紫外300 nm波長附近的可見光的吸收能力有比較大的加強，而對280 nm波長的吸收能力最弱，在這個范圍形成了一個近乎y=x3的函數關系曲線。

圖6 GeS/GeSe吸收光譜

4 結論

GeS/GeSe對于可見光具有較好的吸收能力，對于紫外光的吸收能力更加強大，通過應變的調控，還能夠在紫外區域形成幾個差異較大的吸收波長區域，若利用這些變化，就能夠較好地調控材料的光吸收性質。