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          具有可調(diào)層狀結(jié)構(gòu)、電子和光學(xué)特性的二維c2n/MoS2范德華異質(zhì)結(jié)作為光伏材料
          
						
          
							發(fā)布時(shí)間：2020-08-27     作者：ZHN   分享到：
							
          
								
          
								
							
          
						
          
						
          
						
          研究背景

          二維材料因其獨(dú)特的電子、熱和光電子特性而受到廣泛的關(guān)注。然而，二維材料的光學(xué)帶隙的大小影響它們?cè)诠怆娞綔y(cè)器件和太陽(yáng)能電池中的應(yīng)用。由密度泛函理論計(jì)算得出c2n的光學(xué)帶隙為1.66 eV，MoS2的光學(xué)帶隙為1.67 eV，它們的價(jià)帶大態(tài)(VBM)和導(dǎo)帶小態(tài)(CBM)的電荷分布在空間上沒(méi)有很好地分離，光電子和空穴的快速?gòu)?fù)合，導(dǎo)致吸光效率**降低。因此，利用層間的范德華相互作用力，將不同的二維材料堆疊在一起形成異質(zhì)結(jié)構(gòu)是克服這一弱點(diǎn)的一種可能方法。

          研究成果
          清華大學(xué)和中國(guó)工程物理研究院核物理與化學(xué)研究所的Zhaoyong Guan和Wenhui Duan等教授成功利用計(jì)算系統(tǒng)地研究了c2n /MoS2范德華異質(zhì)結(jié)的結(jié)構(gòu)、電子和光學(xué)性質(zhì)，計(jì)算結(jié)果表明，c2n /MoS2范德華異質(zhì)結(jié)具有良好的捕光性能。同時(shí)改變c2n /MoS2異質(zhì)結(jié)之間的垂直間距，可以**地調(diào)節(jié)調(diào)整c2n / MoS2異質(zhì)結(jié)的電子和光學(xué)性質(zhì)。研究成果以“Tunable Structural,Electronic, and Optical Properties of Layered Two-Dimensional c2n and MoS2vander Waals Heterostructure as Photovoltaic Material”為題發(fā)表在The Journal of Physical Chemistry C期刊上。

          圖文解讀

          圖1 (a,b)優(yōu)化后的c2n / MoS2異質(zhì)結(jié)的俯視圖和側(cè)視圖。c) c2n /MoS2異質(zhì)結(jié)的能帶結(jié)構(gòu)和PDOS，紅藍(lán)點(diǎn)的大小分別代表c2n和MoS2的比重。黑色線、紅色線和藍(lán)色線分別表示c2n/MoS2異質(zhì)結(jié)的總態(tài)密度和c2n和MoS2的PDOS。（d e）c2n /MoS2異質(zhì)結(jié)的VBM和CBM的電荷密度。
          圖1是c2n /MoS2優(yōu)化后的幾何結(jié)構(gòu)，圖1的a和b分別是c2n / MoS2異質(zhì)結(jié)的俯視圖和側(cè)視圖，通過(guò)計(jì)算得出c2n與MoS2層之間的平衡距離為3.345?，其結(jié)合能Eb為?19.98 meV，這表明對(duì)c2n / MoS2異質(zhì)結(jié)的形成是有利的。圖1的c是對(duì)c2n / MoS2異質(zhì)結(jié)的電子結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，得出其帶隙為1.30eV，這與PBE-D3和范德瓦爾斯計(jì)算的結(jié)果是一致的。值得一說(shuō)的是，c2n / MoS2異質(zhì)結(jié)的帶隙比c2n和MoS2都要小的多。c2n (1.66 eV) and MoS2(1.67eV）。因此，c2n / MoS2異質(zhì)結(jié)在可見(jiàn)光照射下更容易從價(jià)帶(VB)激發(fā)到導(dǎo)帶(CB)。

          圖2 (a) c2n /MoS2異質(zhì)結(jié)的包括VBO和CBO的能帶排列的示意圖。(b,c)c2n單層和c2n /MoS2異質(zhì)結(jié)的光學(xué)吸收系數(shù)。α∥和α⊥分別代表平行于平面和垂直c2n層的光學(xué)吸收系數(shù)。
          圖2b在2.10 eV、2.39 eV、2.59 eV和2.90 eV處計(jì)算出四個(gè)吸收峰，其強(qiáng)度可達(dá)2.0 ×10 5 cm -1，這些吸收峰源于c2n的VB和CB在不同能帶躍遷。

          圖3（a、b、c和d）分別代表c2n /MoS2異質(zhì)結(jié)在不同垂直間距的電荷密度差異。藍(lán)色和紅色分別代表電荷的積累和消耗。（e）帶隙能E gap和結(jié)合能E b隨層間距的變化而變化。

          在實(shí)驗(yàn)中，使用金剛石槽的應(yīng)變裝置可以**地控制范德華異質(zhì)結(jié)的垂直間距。我們系統(tǒng)地研究了c2n / MoS2范德華異質(zhì)結(jié)中的應(yīng)變效應(yīng)。我們定義了垂直間距?= d0-d, d0和d分別是c2n和MoS2的平衡及實(shí)際距離。隨著c2n和MoS2之間的層間距增加，結(jié)合能被發(fā)現(xiàn)緩慢上升，而帶隙能緩慢下降。c2n層和MoS2層之間相互作用的變化應(yīng)該通過(guò)它們之間的電荷轉(zhuǎn)移強(qiáng)度來(lái)反映，為了探究電荷轉(zhuǎn)移過(guò)程，我們計(jì)算了c2n /MoS2異質(zhì)結(jié)的電荷密度差，如圖3（a、b、c和d）。隨著c2n和MoS2之間層間距增大，電荷轉(zhuǎn)移明顯，層間距之間的相互作用也增強(qiáng)，這使c2n和MoS2之間的結(jié)合能逐漸變大。隨著垂直間距的增加，c2n的pz軌道和MoS2的dz2軌道相互作用的增強(qiáng)，這使帶隙單調(diào)減小。如圖3e所示。

          圖4具有不同垂直間距c2n /MoS2異質(zhì)結(jié)的PDOS圖。（垂直間距分別為-0.4、0、0.4、0.8、1.0和1.2?）
          垂直間距? < 1.0 ?時(shí)，c2n/MoS2異質(zhì)結(jié)總是呈現(xiàn)ii型帶隙，當(dāng)間距?＞1.2 ?時(shí)，只有c2n對(duì)CBM有貢獻(xiàn)，同時(shí)c2n和MoS2對(duì)VBM有貢獻(xiàn)，這時(shí)就偏離ii型異質(zhì)結(jié)。當(dāng)間距?＞1.90 ?時(shí)發(fā)現(xiàn)c2n /MoS2異質(zhì)結(jié)經(jīng)歷半導(dǎo)體到金屬的過(guò)渡，這意味著該異質(zhì)結(jié)具有可調(diào)的導(dǎo)電和輸運(yùn)特性。

          圖5具有不同垂直間距c2n / MoS2異質(zhì)結(jié)的吸收系數(shù)圖。（垂直間距分別為-0.4、0、0.4、0.8、1.0和1.2?）
          我們測(cè)試了具有不同垂直間距c2n / MoS2異質(zhì)結(jié)的吸收系數(shù)，如圖5所示。隨著垂直間距的增加，α∥和α⊥被發(fā)現(xiàn)明顯紅移,符合上面討論的帶隙能量的降低，證明對(duì)紅外和可見(jiàn)光有明顯的光學(xué)吸收。垂直間距對(duì)光吸收的**調(diào)節(jié)意味著c2n/MoS2異質(zhì)結(jié)在光電探測(cè)器件和太陽(yáng)能電池中的廣泛應(yīng)用。
          小結(jié)
          總之，計(jì)算系統(tǒng)地研究了c2n / MoS2范德華異質(zhì)結(jié)的結(jié)構(gòu)、電子和光學(xué)性質(zhì)。c2n /MoS2異質(zhì)結(jié)呈現(xiàn)**的ii型能帶，直接帶隙為1.3 eV，有利于光電子和空穴的**分離。計(jì)算結(jié)果表明，c2n / MoS2范德華異質(zhì)結(jié)具有良好的捕光性能。通過(guò)改變c2n的pz軌道和MoS2的dz2軌道的相互作用，可以**地調(diào)整c2n / MoS2異質(zhì)結(jié)的電子和光學(xué)性質(zhì)。c2n / MoS2異質(zhì)結(jié)具有中等的帶隙、分離良好的光電子和空穴以及增強(qiáng)的可見(jiàn)光吸收，在太陽(yáng)能電池中有很大的應(yīng)用潛力。
          文獻(xiàn)鏈接
          Zhaoyong Guan,Chao-Sheng Lian, Shuanglin Hu, Shuang Ni, Jia Li, Wenhui Duan

          TunableStructural, Electronic, and Optical Properties of Layered Two-Dimensional c2n and MoS2 van der Waals Heterostructure as Photovoltaic Material

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