二维硒化锗的光电性质及其异质结设计

发布时间：2020-10-24 04:01

　　 第四族单硫族化合物(GeSe、SnSe、GeS、SnS)具有非常优异的光电子性质,受到了研究的广泛关注。在这四种化合物的单层结构中,只有GeSe单层是具有直接带隙的半导体,且具有优异的光学性能。最近几个原子层和单层的锡化锗已通过机械剥离和激光减薄技术被制备成功。在此基础上的二维GeSe的光电性能研究和器件设计成为将来应用的关键,是当前的研究热点。本文基于密度泛函的第一性原理计算方法,首先开展了单层GeSe的电子和光学性质研究。通过杂化泛函计算证实了单层GeSe具有1.71eV的直接带隙,载流子迁移率达到了10~3数量级,光学吸收系数可达10~5cm~(-1),具有优良的半导体器件应用前景。通过不同方式的堆垛结构设计,发现AA、AC堆垛具有间接带隙,而AB、AD堆垛则拥有直接带隙;研究还表明,AB堆垛的双原子层GeSe在沿锯齿型方向施加单轴应变可在较大范围内调节直接带隙的宽度。在研究单层GeSe和双层堆垛的基础上,通过构建异质结来探索单层GeSe的光电应用。计算设计了由单层GeSe和石墨烯构成的异质结,发现它们可以形成肖特基接触。在构成的GeSe/graphene异质结中,能带计算发现单层GeSe的直接带隙和石墨烯的狄拉克锥可以保持。通过调控层间距,发现GeSe/graphene异质结的肖特基势垒高度可以得到调节,并且石墨烯打开了0.17eV的带隙。发现施加电场和应变都能调节GeSe/graphene异质结的肖特基势垒高度及接触类型,可作为肖特基器件应用。关注单层GeSe和同族化合物单层构成的异质结,通过计算设计了由单层GeSe和单层SnSe组成的异质结。计算发现GeSe/SnSe二维异质结具有第II类型的能带,能带大小为0.89eV,具有较高的光学吸收系数。理论计算表明,GeSe/SnSe二维异质结的光电转换效率可以达到21.47%,高于二硫化钼和黑磷构成的二维异质结。计算表明,设计的GeSe/SnSe二维异质结的空穴的载流子迁移率可以达到10~4 cm~2V~(-1)s~(-1)。具有第II类型能带、高光电转换效率、高载流子迁移率的GeSe/SnSe二维异质结在太阳能电池应用方面具有应用前景。
【学位单位】：湘潭大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2019
【中图分类】：TN30
【部分图文】：

经低至 8nm（大约对应于 12 个原子层），但依然不能达到单层或者几微米级。最近，在真空中通过激光剪薄法成功的在 SiO2 / Si 衬底上制备出单层和少层GeSe[22]。图 1.1 中显示出了材料的厚度的大小以及组成元素的比例，可以确定已经得到纯的二维 GeSe。但是用这种方法制备出的单层 GeSe 并不是大面积的，而是单层和多层的混合物，并且还有很多缺陷的存在，因此，单层 GeSe 的实验制备还需要进一步探索。目前，主要是从理论层面来研究二维 GeSe，通过理论预测它可能具有五种同素异形体[30]。并且通过声子谱计算发现都没有虚频的存在，因此是动力学稳定的。通过结合能的计算发现，在这五种同属异形体中，与黑磷同结构的α-GeSe具有最低的结合能，因此α-GeSe 应该是最为稳定的相位[30]。而这种结构也是被研究最多的一种.[32, 33]。但是，对于其他的结构，如 2D β-GeSe 也可以在实验中制备出。Rohr 等人[29]在六万大气压下将α-GeSe 加热到 1200 度后，其不仅演变成椅子状的结构，更有一部分演变为船型结构的β-GeSe。而不同的结构，它的电学性能不同。β-GeSe 具有比石墨烯和黑磷更好的电学性质，而且层间距低，结构比较稳定。

图 1.2 (a)块体 GeSe 的能带结构。(b)单层 GeSe 的能带结构。(c)在 550 至 850nm 的可见波段中 GeSed 的 PL 光谱[22]。1.2.3 二维 GeSe 的光学性质通过理论计算发现单层和少层 GeSe 具有极好的光学性质[28]。在理论中，使用光吸收系数来衡量材料对光吸收的效率以及吸收的范围。如图 1.3 (a)所示，通过第一性原理计算发现在可见光范围内，单层 GeSe 具有高的光吸收系数，达到了 10-5cm-1，并且光吸收范围在 300-1000nm 附近，包含了可见光光谱的范围，并且在蓝光光谱范围内吸收最强[38]。而且光吸收系数随着方向的不同而大小不同，显示出了单层 GeSe 具有各向异性的特点。这种各向异性的特点可以设计出新奇的光电设备，如通过控制入射光的偏振方向来调节等离子体的共振频率，主要应用于偏光器，极化传感器等。通过对单层 GeSe 的光吸收率计算发现，单层GeSe 的光吸收率达到了 40%以上，而它的双层结构的光吸收率为也为 40%以上[28]。因此，从理论分析可以发现 GeSe 在光电池领域中可能具有非常好的应用前

GeSe 薄膜太阳能电池模拟图。(b)GeSe 薄膜太阳能电池的反向 J-V 曲线。(c池的 EQE 谱，(d)在常温下随着时间变化的 PCE 值[39]。维 GeSe 的载流子迁移率电领域使用中，一般对于一个材料的评价有两个重要的指标，一个是载流子迁移率。较宽的带隙和较高的载流子迁移率是电子和光电的。而很多材料都不能满足合适的带隙和高的载流子迁移率。因此方法来调节或者弥补这种缺陷。对于单层 GeSe，具有较为宽的直从理论分析发现它具有高的载流子迁移率[38, 41]。如下表所示，首先有效质量在不同的方向数值不同，因此 GeSe 载流子迁移率是各向单层 GeSe 的有效质量较小，而载流子迁移率是和有效质量是成反比了单层 GeSe 的载流子迁移率较大。而 GeSe 的电子的载流子迁移率4866.99cm2V-1s-1，在 y 方向为 6.4×104cm2V-1s-1。而空穴的载流子向为 371.902cm2V-1s-1，在 y 方向为 242.131cm2V-1s-1。因此 GeSe
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本文编号：2853987