带隙工程及其在Pt(Pd)Se横向异质结构及其石墨烯/Pt(Pd)Se垂直异质结构中对光学吸收的增强作用

《Solid State Communications》：Bandgap engineering and enhanced optical absorption in Pt(Pd)Se 2 lateral heterostructures and their graphene/Pt(Pd)Se 2 vertical heterostructures

　　

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  HSE06的研究表明，Pd的掺杂将PtSe₂的带隙从1.951 eV缩小到1.229 eV。
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  PBE-D3模拟结果显示，界面间距为3.430 ?，结合能为-0.859 eV。
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  Graphene/Pt(Pd)Se₂的带隙为0.0135 eV，且具有II型能带对齐。
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  Graphene增强了紫外线吸收强度，达到10⁶ cm^?1以上。

引言

Graphene结合了高载流子迁移率和宽光谱响应，但其零带隙特性限制了其在半导体开关和光电检测中的直接应用[1]。单层PtSe₂具有互补的半导体特性、环境稳定性和宽带光学特性[2,3]。垂直范德华组装可以在保持各层特性的同时引入界面耦合、电荷重分布和能带重构[4,5]。同时，用Pd部分替代Pt可以改变PtSe₂的局域对称性、轨道相互作用、能带边缘态和光学响应。然而，Pd诱导的成分调制与随后Graphene耦合的共同效应尚未在同一PtSe₂衍生平台上进行系统研究。

最近的研究展示了调节二维系统的几种互补策略。Janus MXI单层和层状C₅N表现出依赖于成分、不对称性和层的电子和光学性质[6,7]，而AlSe/SiH、SiTe/AlSe和SnSe₂/GaSe异质结构则展现出可调的能带结构、II型能带对齐、电荷分离和光学响应[[8], [9], [10]]。基底对Graphene的修饰也因基底而异：在h-BN、MoS₂和PtSe₂上预测存在有限带隙[5,11,12]。实验中，SiC上的外延Graphene的带隙约为0.26 eV[13]，而在WS₂/Graphene中则基本保持了狄拉克色散[14]。这些结果表明，Graphene的修饰强烈依赖于基底和界面结构，而并非总是由垂直组装决定。

基于此，我们比较了单层PtSe₂、Pt(Pd)Se₂横向异质结构和graphene/Pt(Pd)Se₂垂直异质结构。这种顺序比较区分了Pd诱导的平面内成分效应和垂直界面耦合，阐明了这两种机制如何共同调节基于PtSe₂系统的结构、电子和光学性质。

章节片段

计算方法

本研究中的所有计算均采用密度泛函理论（DFT）[15,16]进行，该理论通过维也纳从头算模拟包（VASP）[17,18]实现。投影增强波（PAW）方法被用来描述离子核与价电子之间的相互作用[19,20]。

单层PtSe₂和Pt(Pd)Se₂横向异质结构的优化采用了Perdew–Burke–Ernzerhof（PBE）泛函[21]。

Pt(Pd)Se₂和graphene/Pt(Pd)Se₂异质结构的晶体结构

图1(a)显示了优化后的单层PtSe₂，其计算得出的晶格常数为3.76 ?，与实验结果一致[29]。孤立Graphene的晶胞参数为a = b = 2.468 ?，最近邻C–C键长为1.425 ?。Pt(Pd)Se₂横向异质结构是由2 × 2 PtSe₂超胞通过用Pd替换两个Pt原子得到的，形成的结构为Pt₂Pd₂Se₈，其优化后的参数为a = b = 7.522 ?，γ = 120°，Pt–Se和Pd–Se键长分别为2.524–2.527 ?和2.532–2.536 ?。

结论

总之，我们研究了单层PtSe₂、Pt(Pd)Se₂横向异质结构和graphene/Pt(Pd)Se₂垂直异质结构的结构、电子和光学性质。HSE06的计算结果表明，单层PtSe₂和Pt(Pd)Se₂横向异质结构是间接带隙半导体，其带隙分别为1.951 eV和1.229 eV。优化的graphene/Pt(Pd)Se₂异质结构的层间距为3.430 ?，结合能为-0.859 eV/层

CRediT作者贡献声明

Jieyu Dai：撰写初稿及进行形式分析。Yan Chen：负责研究及数据整理。Yujue Yang：负责验证和监督。Huafeng Dong：负责监督及资金争取。Fugen Wu：负责验证和监督。

利益冲突声明

作者声明以下可能的利益冲突：Huafeng Dong表示获得了中国国家自然科学基金的支持。如果还有其他作者，他们声明自己没有已知的可能影响本文工作的利益冲突或个人关系。

致谢

本工作得到了中国国家自然科学基金（项目编号11604056）的支持。我们感谢中国广东省广东工业大学的校园网络与现代教育技术中心为本项目提供计算资源和技术支持。

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