Sn(S,Se)?/BAs范德华异质结构的电子和光学性质：基于密度泛函理论的案例研究

《Solid State Communications》：Electronic and optical properties of van der Waals Heterostructures Sn(S,Se) 2/BAs: Case study by density functional theory

　　

• •
  Sn(S,Se)₂/BAs 范德华异质结构表现为间接带隙半导体，其带隙相对于各自组分的单层材料显著减小。
• •
  Janus SnSSe/BAs 异质结构的带隙具有可调性，当硒（Se）原子层紧邻 BAs 基底时带隙达到最大值。
• •
  这些异质结构在可见光和紫外光谱区域表现出增强的光吸收，表明其在光电应用方面具有巨大潜力。
• •
  这些结构表现出显著的光学各向异性，其方向依赖性响应适用于基于偏振的光学调制。
• •
  能量计算证实了所有研究异质结构的能量稳定性，其中 SnSe₂/BAs 构型表现出最高的界面结合强度。

引言

自从石墨烯被合成以来，二维（2D）材料因其非凡的性质而备受关注，诸如氮化硼（BN）[1]、MXenes 如 V₂C 和 Y₂C [2]、[3]、过渡金属二硫化物（TMDs）如 MoS₂ 和 WS₂ [4]、[5]、磷化硼（BP）[6]、SnS₂ 和 SnSe₂ [7] 以及许多其他材料。当然，某些二维材料如石墨烯也存在局限性。例如，为了解决石墨烯因零带隙而导致的开关问题，具有 1.1–2.0 eV 直接带隙的 TMDs 是非常合适的选择，而且这些二维材料被广泛应用于光催化剂、光电子器件以及其他纳米器件中。

一类新的二维材料是范德华（vdW）异质结构，通过将不同的二维材料堆叠而成，这是实现更理想物理性质的有效方法。基于石墨烯、TMDs 和 MXenes 构建的异质结构因其丰富的性质特别引人注目，可以互补其组分二维材料的不足 [7]、[8]、[9]、[10]、[11]、[12]、[13]、[14]、[15]、[16]、[17]、[18]、[19]、[20]。这些垂直异质结构主要通过 vdW 力结合，可以组合不同材料的固有电子和光学性质，从而产生超越单一二维材料的新电子和光电性质，并且在电池、电子器件、光电子器件和催化剂的制备中具有潜在应用，同时也保持其二维材料的固有性质。深入研究这些材料可以发现，许多类型的异质结构已经被理论预测并随后被实验构建 [21]、[22]、[23]、[24]、[25]、[26]、[27]。

近年来，二维材料制备技术的进步使得将石墨烯与其他二维原子晶体结合以构建 vdW 异质结构并探索其性质成为可能。将其他二维材料整合入异质结构并赋予其新的自由度，如层间相对旋转和间距，为工程化和操控新物理以及几乎无限器件特性提供了一条途径 [28]。石墨烯/BP 和 BN/BP 异质结构的从头算结果表明，它们主要通过微弱的范德华力而非共价键稳定。由于弱相互作用的轨道，BP 放置在石墨烯或 BN 上时会形成直接带隙，从而显著增加光吸收，远高于其单层材料 [29]、[30]。近期关于 vdW 异质结构的理论研究表明，界面构型和高互层相互作用在决定其结构和电子性质中起重要作用。Janus MoSSe/GaN 和 WSSe/GaN 异质结构的研究表明，堆叠构型和层间相互作用可以显著改变带结构、界面电荷重新分布和光学响应 [31]。类似地，结构相容的 InN/SiP 和晶格匹配的 InN/As vdW 异质结构表明不同的堆叠排列方式会影响结构稳定性、电子带对齐、电荷转移和光吸收 [32]、[33]。特别是，InN/SiP 异质结构的晶格失配小于 2%，而晶格匹配的 InN/As 异质结构表现出近 1 eV 的直接带隙以及相对于其组分单层的增强光吸收 [32,33]。这些发现突出了晶格相容性、堆叠构型和界面耦合在调控二维 vdW 异质结构电子和光学性质方面的重要性。

单层 BAs 是一种 III-V 族半导体，具有约 0.61 eV 的直接带隙 [34]。单层 BAs 具有极高的热导率，约为 300 $$，载流子为 p 型 [35]，由于其单层石墨结构和直接带隙特性，非常适合用于异质结构 [36]。垂直异质结构 BAs/WS₂ 和 BAs/WSe₂ 分别具有 0.6 eV 和 0.7 eV 的直接带隙，BAs/WS₂ vdW 异质结构具有 II 型带对齐，而 BAs/WSe₂ 具有 I 型带对齐。这两种异质结构都具有高载流子迁移率（10²～10³ $$）以及在可见光和紫外区域约 10⁵ $$ 的光吸收，因此非常适合用于太阳能电池 [37]。

此外，近期对硒（Se）基和锡（Sn）基二维材料的研究揭示了其令人期待的电子和光学特性。据报道，如 As/PtSe₂ 等 Se 基 vdW 异质结构表现出 II 型带对齐、光生载流子的空间分离增强以及内建电场，可以改善电荷分离和光学响应 [38]。此外，Janus γ-Sn₂XY（X ≠ Y = Te, Se, S）单层材料已显示出

有利的电子性质、高载流子迁移率和显著的可见光吸收 [39]。Ag₂Se 基结构及其改性形式也表现出可调的电子性质和强烈的光学响应，吸收系数在可见光至紫外区域可达约 10⁵ cm^-1 [40]。这些发现进一步强调了含 Se 和基于 Sn 的二维材料在调控电子和光学性质方面的潜力。

先前的研究已探索了 SnX₂ 基和 BAs 基范德华异质结构在多种应用中的不同能力。例如，SnS₂/WS₂ 异质结构已被研究用于隧道晶体管应用，特别关注其带对齐和隧道特性 [41]。SnS₂/SnSe₂ 的电荷转移和吸附特性也已在气体传感应用的背景下进行了考察 [42]。此外，BAs/WS₂ 和 BAs/WSe₂ 异质结构已被提议作为光电应用的有前途的候选材料，包括与太阳能电池相关的器件，这得益于其有利的电子和光学性质 [37]。另一项近期关于 HfX₂/BSb 范德华异质结构的密度泛函理论研究报道指出，这些体系表现出间接带隙、主要为 vdW 层间相互作用以及跨可见光、近红外和紫外区域的强光吸收 [43]。基于这些先前的研究，本工作研究了 SnS₂/BAs 异质结构的电子和光学性质，以评估其在光伏和光催化应用中的潜力。

2D BAs 和 Sn(S,Se)₂ 结构晶格常数的接近性，以及它们的六方晶格结构，促使我们利用这些单层纳米结构构建具有不同排列方式的异质结构。在引言和详细计算之后，采用第一性原理计算和密度泛函理论，在本工作的第一部分中，我们制作了该 vdW 异质结构的不同排列方式，并在优化后研究了其结构、稳定性和电子性质。根据获得适当带隙的重要性，我们集中研究了光学性质，通过光吸收图、耗散函数以及介电函数的实部和虚部进行了分析。所有 vdW 异质结构在可见光和紫外区域均表现出高光吸收，表明它们可用于光伏和光催化器件，最后在本工作的末尾得出了结论。

章节摘要

计算细节

所研究体系的物理性质通过基于 DFT 的计算获得，并使用 Wien2K 程序包 [44] 实现。在这些计算中，使用了能量截断为 90 Ry 的平面波基组。采用投影缀加波（PAW）势，交换关联泛函采用广义梯度近似（GGA）的 Perdew–Burke–Ernzerhof（PBE）公式。此外，还使用了杂化 Heyd–Scuseria–Eenzerhof（HSE06）[45] 泛函来获得

结果与讨论

第一步，我们使用密度泛函理论研究 2D 单层 SnS₂、SnSe₂、SnSSe 和 BAs 的结构和电子性质，以与先前的工作进行比较。SnS₂、SnSe₂ 和 SnSSe 结构具有三层原子层，类似于 2D MoS₂ 的六方结构，但与具有空间群 P6?/mmc 的单层 MoS₂ 不同，这三种结构具有空间群对称性 I-43m。其中，Sn 金属原子被夹在两层原子层之间

光学性质

显示材料对入射光响应的最重要光学参数是介电函数（?(ω)）。介电函数张量由两个实部和虚部组成，形式为 3×3 张量。图 5(a, b, c) 中给出了 Sn(S,Se)₂/BAs-H1 异质结构介电函数的实部（Re-?(ω)），图 5(d, e, f) 中给出了虚部（Im-?(ω)），绘制于对称方向 x 和 z。由于光学性质的

结论

总之，我们采用第一性原理密度泛函理论计算，从理论上研究了 Sn(S,Se)₂/BAs vdW 异质结构各种排列方式的结构、电子和光学性质，以用于基于 2D Sn(S,Se)₂ 和 BAs 的电子器件。所有结构的电子性质均使用 GGA-PBE 和 HSE06 泛函以及 vdW 修正进行了计算。2D SnS₂、SnSe₂ 和 Janus SnSSe 是具有间接带隙的半导体，且 SnS₂ 具有更大的

作者贡献声明

Narges Phili：撰写 – 初稿，软件，方法论，调查。Shahriar Salimi：撰写 – 审阅与编辑，监督。Tawfigh Osati：撰写 – 审阅与编辑，监督，调查。Borhan Arghavani nia：撰写 – 审阅与编辑，验证，软件，方法论

利益冲突声明

? 作者声明不存在已知的竞争性经济利益或个人关系可能影响本文所报告的工作。

Narges Phili|Shahriar Salimi|Tawfigh Osati|Borhan Arghavani nia