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为解决单一 2D 材料应用受限问题，研究人员开展对 h-BN/WTe?异质结构的研究，探究扭转角和双轴应变对其稳定性、电子及光学性能的影响。结果表明二者可调制性能，为该异质结构用于光电器件提供理论指导。
在科技飞速发展的当下，新型材料的研发对于推动电子和光电器件的进步至关重要。二维（2D）材料，凭借独特的原子结构和卓越的物理特性，成为下一代集成电子和光电器件的热门候选材料。从最早被发现的石墨烯开始，科学家们不断探索，相继发现了黑磷、过渡金属硫化物、六方氮化硼（h-BN）等多种 2D 材料。
h-BN 是一种宽带隙半导体，具有高热稳定性和优良的机械性能，虽本身具有电绝缘性，但通过多种策略可赋予其不同特性，还能调节其他 2D 材料的载流子迁移率，在光电器件、航空航天、生物医学等领域潜力巨大。过渡金属二硫属化物（TMDs）是一类由 X-M-X 夹心结构组成的 2D 材料，元素类型和金属原子配位数的变化使其性质多样。其中，二碲化钨（WTe?）作为拓扑绝缘体，拥有大的不饱和磁电阻，且在 TMDs 中迁移率最高。
然而，单一 2D 材料并非完美无缺。高接触电阻、难以控制层内激子等问题，严重限制了它们的应用。为优化 2D 材料性能，构建 2D 垂直范德华（vdW）异质结构成为有效方法之一，其中 h-BN 与过渡金属硫化物形成的异质结构备受关注。此前，科学家们已对这类异质结构展开研究，但调制异质结构性能的方法至关重要，因为这有助于开发更高效可靠的电子和光电器件。扭转角和应变作为常见的调制方法，成为研究热点。
在此背景下，国内研究人员开展了关于 h-BN/WTe?异质结构的研究。他们构建了五个具有不同扭转角的 h-BN/WTe?异质结构，并施加 - 12% 至 + 12% 的双轴应变，利用基于密度泛函理论的第一性原理计算方法，研究了不同扭转角下 h-BN/WTe?异质结构在双轴应变下的稳定性、能带结构、态密度等光电性能。该研究成果发表在《Computational and Theoretical Chemistry》上，为 h-BN/WTe?异质结构在光电器件中的应用提供了重要的理论指导。
研究人员主要运用的关键技术方法是第一性原理计算，使用 Pwmat 软件进行所有计算，原子计算采用 SG15 赝势，交换关联泛函采用广义梯度近似（GGA）-Perdew-Burke-Ernzerhof（PBE）方法。由于研究对象为二维材料，对结构边界沿 X 和 Y 轴应用周期性边界条件，并沿 Z 轴引入 15 ? 厚度的真空层 。
几何结构研究
研究人员首先计算了单层 h-BN 和 WTe?材料的电子结构和性能，二者的晶格常数分别为 2.49 ? 和 3.56 ?，与其他研究人员的报告一致。多层材料中层间的堆叠排列对材料稳定性影响重大，这为后续研究异质结构的稳定性奠定了基础。
扭转角对 h-BN/WTe?异质结构的影响
研究发现，扭转角不会改变 h-BN/WTe?异质结构的直接带隙和 I 型带对齐，但会影响带隙大小以及导带极小值（CBM）和价带极大值（VBM）的位置。带隙在扭转角为 8.9° 和 51.1° 时达到最大值 1.21 eV。此外，对于扭转角为 0° 的 h-BN/WTe?异质结构，在 5.38 eV 处最大光吸收系数为 9.5×10? cm?1。随着扭转角从 0° 变化到 8.9° 和 30°，光吸收光谱发生红移，吸收系数降低。
双轴应变对 h-BN/WTe?异质结构的影响
在 - 12% 至 + 12% 的应变范围内，h-BN/WTe?异质结构的带隙类型从间接带隙转变为直接带隙，然后又变回间接带隙，同时还发生了半导体 - 金属相变。这表明双轴应变能显著改变异质结构的电学性质，为调控其性能提供了有效途径。
研究结论与讨论
通过第一性原理计算，研究人员对 h-BN、WTe?单层以及 h-BN/WTe?异质结构的电子结构和性能进行了深入研究。他们通过结合能和分子动力学评估了 h-BN/WTe?异质结构的稳定性。扭转角和双轴应变都能有效调制 h-BN/WTe?异质结构的性能，这一发现为该异质结构在光电器件的设计和制造中提供了重要的理论依据。
该研究成果的意义重大，为后续基于 h-BN/WTe?异质结构开发新型光电器件指明了方向。研究人员可以根据这些理论结果，有针对性地调整扭转角和双轴应变，优化异质结构的性能，从而推动光电器件领域的发展，有望为相关产业带来新的突破 。
