卤素原子掺杂与剪切应变协同调控单层GaS光电性能的第一性原理研究

本研究通过第一性原理计算系统探究了卤素原子(F/Cl/Br/I)掺杂和剪切应变对单层GaS几何结构、电子特性及光学性能的调控机制。发现F掺杂可显著降低GaS带隙并提升光电性能，其中xx-yy方向剪切应变对F-GaS体系吸收/反射率呈现显著各向异性调控。该工作为二维材料性能优化提供了掺杂-应变协同工程新策略，对开发新型光电器件具有重要指导意义。

　　

随着纳米技术的快速发展，二维材料因其独特的物理化学性质在纳米电子学和光电子学领域展现出巨大潜力。单层GaS作为一种新兴的二维半导体材料，凭借优异的电子迁移率和可调带隙特性，已成为高性能光电器件研究的热点。然而，如何实现对GaS性能的精确调控仍是当前研究的核心挑战。

传统性能调控主要依赖化学掺杂和应变工程两大策略。卤素掺杂凭借独特的电负性特征，在材料电子结构调控中表现出显著优势。例如氟(F)原子因其高电负性，能在半导体材料带隙附近引入新能级，促进电子跃迁从而优化光电性能。与此同时，剪切应变作为一种特殊应变形式，通过改变晶格对称性和电子构型，为性能调控提供了非化学掺杂的新途径。但迄今为止，卤素掺杂与剪切应变对单层GaS的协同调控机制尚未得到系统阐释。

辽宁省科技厅资助项目团队通过第一性原理计算，首次揭示了卤素原子掺杂与剪切应变对单层GaS的多维度调控规律。研究发现F掺杂体系在四种卤素掺杂中结构最稳定，可使GaS带隙显著降低并增强光电性能。更引人注目的是，xx-yy方向剪切应变对F-GaS体系的吸收和反射率调控呈现显著各向异性特征。该成果发表于《Computational and Theoretical Chemistry》，为二维材料性能优化提供了理论新视角。

研究采用密度泛函理论(DFT)框架下的第一性原理计算方法，使用Materials-Studio软件的CASTEP模块进行模拟。计算采用超软赝势处理离子-电子相互作用，交换关联泛函选择广义梯度近似(GGA)下的PBE泛函。通过几何优化确定最稳定构型后，系统分析了卤素掺杂体系的形成能、电子态密度及光学参数，并探究了不同方向剪切应变对F-GaS体系的调控效应。

几何结构与稳定性分析显示，F掺杂体系的Ga-F键长最短(2.07 ?)，形成能最低(-2.31 eV)，表明其结构稳定性最优。电子性质研究表明，F掺杂使GaS带隙从2.48 eV降至1.85 eV，且在价带顶附近引入新能级，显著提升载流子迁移率。光学性能测试发现F-GaS体系在紫外-可见光区吸收系数提升37%，反射率降低21%。

剪切应变调控实验揭示，6% xx方向应变使F-GaS带隙进一步降至1.62 eV，而相同yy方向应变则导致带隙增至2.03 eV。这种各向异性调控使材料在平行和垂直应变方向的光吸收呈现43%差异，为定向光电器件设计提供了新思路。

该研究首次建立了卤素掺杂-剪切应变协同调控单层GaS性能的理论模型，证实F掺杂与xx方向应变的组合可最大程度优化材料光电性能。研究成果不仅为二维材料性能调控提供了"化学掺杂-物理应变"双轨策略，更为新一代高速光电探测器、高效太阳能电池等器件的设计开发奠定了理论基础。特别值得注意的是，发现的应变各向异性效应为开发偏振敏感光电器件开辟了新途径，有望推动二维材料在微纳光电子领域的产业化应用。