Propriétés électroniques accordables en contrainte et alignements de bandes dans l'hétérostructure GaTe/C2N :un calcul des premiers principes

Contexte

Depuis la découverte du graphène [1, 2], l'intérêt pour les matériaux stratifiés bidimensionnels (2D) n'a cessé de croître. De nombreux matériaux 2D de type graphène tels que les dichalcogénures de métaux de transition [3], les structures en nid d'abeilles monocouches d'éléments du groupe V et de composés binaires III-V [4-8] et les chalcogénures de métaux de transition (PTMC) [9] ont beaucoup gagné d'intérêt en raison de leurs propriétés physiques exceptionnelles et de leurs applications prometteuses. Parmi ces divers matériaux 2D, la monocouche GaTe, en tant que membre des PTMC [9], a été fabriquée avec succès par épitaxie par faisceau moléculaire [10]. Des calculs théoriques ont montré que la monocouche de GaTe est un semi-conducteur à bande interdite indirecte et que sa bande interdite peut être modulée en appliquant des contraintes [11]. De plus, la monocouche C₂ N, un nouveau matériau en couches 2D avec des distributions uniformes de pores et d'atomes d'azote, a également été synthétisé avec succès via une réaction chimique humide ascendante et s'est avéré être un semi-conducteur à espace direct [12]. De nombreuses études ont démontré que sa bande interdite, ses positions de bord de bande et ses propriétés optiques peuvent être modifiées en faisant varier leur ordre d'empilement, le nombre de couches, le champ ou la contrainte électrique externe et en alliant/substituant avec d'autres éléments [13-16]. Il convient de noter que la bande interdite directe réglable et la nature poreuse de C₂ N devrait présenter des propriétés souhaitables pour l'électronique, l'optoélectronique et la conversion d'énergie ainsi que la séparation photocatalytique de l'eau, etc. [15]. Cependant, un défi important demeure pour l'utilisation de C₂ N dans la photocatalyse et les cellules photovoltaïques :les paires électron-trou photogénérées restent dans les mêmes régions spatialement, ce qui peut entraîner un taux élevé de recombinaison des porteurs photogénérés, réduisant ainsi la conversion de l'énergie solaire

Parallèlement aux efforts sur les matériaux 2D simples, les hétérostructures de van der Waals (vdW) fabriquées en empilant différents matériaux semi-conducteurs 2D ont ouvert de nouvelles voies pour créer de nouveaux matériaux et concevoir de nouveaux dispositifs [17-23]. Ce type d'hétérostructure peut être généralement classé en trois types :le type I (écart de chevauchement), le type II (écart échelonné) et le type III (écart brisé) selon les positions relatives du maximum de bande de valence (VBM) et de la bande de conduction minimum (CBM) des semi-conducteurs respectifs [18, 24, 25]. Pour les hétérostructures de type I, les énergies du VBM et du CBM d'un matériau chevauchent celles de l'autre matériau et tous les électrons et trous photogénérés sont accumulés dans la même couche, ce qui induit la recombinaison ultrarapide des porteurs excités et peut donc être utilisé dans les dispositifs optoélectroniques, tels que les diodes électroluminescentes. Dans le cas des hétérostructures de type II, le CBM et le VBM d'un matériau sont plus ou moins énergétiques que ceux de l'autre matériau. En conséquence, les électrons et les trous photogénérés sont confinés séparément dans les deux matériaux, respectivement, inhibant ainsi le taux de recombinaison. Par conséquent, ils peuvent être utilisés comme blocs de construction pour les dispositifs photovoltaïques [18, 24]. Comme pour les hétérostructures de type III, le niveau de VBM d'un matériau est supérieur au niveau de CBM de l'autre, ce qui est souhaitable pour les transistors à effet de champ tunnel [25, 26]. Très récemment, de nombreuses hétérostructures à base de GaTe ont été largement étudiées à la fois théoriquement et expérimentalement. L'hétérostructure GaTe/InSe a été fabriquée expérimentalement et présente l'alignement de bandes de type II [27, 28]. L'hétérostructure quasi-2D GaTe/GaSe a été créée en transférant du GaSe à quelques couches exfoliées sur des feuilles de GaTe en vrac et s'est avérée former un alignement de bande de type I à l'interface [29]. L'hétérostructure GaTe/SnI s'est avérée être un isolant Hall de spin quantique à grand écart et présente un dédoublement notable de Rashba qui peut être modulé en modifiant la distance intercouche des hétérofeuillets [30]. De plus, construction de semi-conducteur/C₂ N hétérostructures, telles que g-C₃ N₄ /C₂ N [31], MoS₂ /C₂ N [32], et CdS/C₂ N [33], a démontré un énorme potentiel pour promouvoir les performances photocatalytiques de C₂ N en raison de la séparation efficace des paires électron-trou, limitant ainsi la recombinaison des porteurs photogénérés.

Dans ce travail, nous construisons le GaTe/C₂ N vdW hétérostructure et effectuer des calculs de théorie fonctionnelle de la densité (DFT) de premiers principes pour étudier ses paramètres structurels et ses propriétés électroniques et optiques. Les résultats montrent que l'hétérostructure possède un alignement de bande de type II intrinsèque et une meilleure absorption de la lumière visible-UV que les couches constituantes. De plus, nous prédisons les dépendances de contrainte de la bande interdite, des alignements de bande et des positions de bord de bande du GaTe/C₂ N hétérostructure, qui sont essentielles dans la conception de nouveaux nano-dispositifs multifonctionnels.

Méthodes

Dans notre recherche, nous effectuons des calculs de premiers principes en utilisant le package de simulation ab initio de Vienne (VASP) [34]. Un ensemble de base d'ondes planes avec une coupure d'énergie cinétique de 500 eV et un pseudopotentiel d'onde augmentée projeté de Perdew-Burke-Ernzerhofer (PBE) [35] sont adoptés pour étendre les fonctions d'onde et pour décrire le potentiel électron-ion, respectivement. La méthode fonctionnelle hybride Heyd-Scuseria-Ernzerhof (HSE06) plus coûteuse en calcul [36] est adoptée pour corriger les bandes interdites sous-estimées obtenues par les calculs DFT/PBE. La faible interaction vdW entre les deux monocouches est décrite par la correction DFT-D2 de Grimme [37]. Un espace vide dans le z -direction supérieure à 25 est utilisée pour éviter les interactions entre hétérobicouches adjacentes. Un 21×21×1 (11×11×1) k -mesh pour les calculs PBE (HSE06) est utilisé pour échantillonner la zone Brillouin. Les positions atomiques sont complètement relâchées jusqu'à ce que l'énergie et les forces convergent vers 10 ⁻⁵ eV et 0,01 eV/Å, respectivement.

Résultats et discussion

Partons des investigations du GaTe vierge et du C₂ N monocouches. Les configurations optimisées des deux monocouches sont représentées sur les figures 1a, b, respectivement. Leurs paramètres structurels sont répertoriés dans le tableau 1. Pour la monocouche GaTe, la constante de réseau optimisée et la longueur de liaison Ga-Te sont respectivement de 4,14 et 2,41Å. Dans le cas du C₂ N monocouche, la constante de réseau optimisée, les distances C-N et C-C(1)/C-C(2) sont respectivement de 8,26, 1,34 et 1,47/1,43Å. De plus, leurs structures de bandes sont également étudiées par les calculs PBE/HSE06 et présentées dans le fichier supplémentaire 1 :Figure S1a et b, respectivement. Apparemment, la monocouche de GaTe est un semi-conducteur avec une bande interdite indirecte de 1,43/2,13 eV tandis que C₂ La monocouche N est un semi-conducteur à bande interdite directe avec une valeur de 1,65/2,44 eV. Pendant ce temps, nous constatons qu'à part un décalage rigide, les structures de bande de C₂ La monocouche N calculée avec le PBE et le HSE06 diffère significativement, notamment pour les bandes de valence. Cependant, les CBM et VBM calculés à l'aide de PBE et HSE06 sont tous à Γ points, indiquant que les dispersions de bandes données par les deux fonctionnelles sont relativement cohérentes bien qu'il y ait une certaine différence de précision. Tous les résultats sont en bon accord avec ceux des rapports précédents [11, 38] et suggèrent la fiabilité de notre méthode de calcul. Comme on le sait, les bandes interdites des semi-conducteurs sont généralement sous-estimées par la fonctionnelle PBE en raison de l'absence de discontinuité de dérivée dans la fonctionnelle énergie. Notre présentation ultérieure pour les propriétés électroniques et optiques sera basée sur les résultats HSE06.

Vues de dessus et de côté de (a ) Gate et (b ) C₂ N monocouches. Vues de dessus de (c –e ) α -, β -, et γ -empiler GaTe/C₂ N hétérostructures, dans lesquelles les vecteurs de base correspondants des hétérostructures sont étiquetés

Le GaTe/C₂ L'hétérobicouche N est construite en combinant une supercellule 2 × 2 de feuille de GaTe et une maille élémentaire 1 × 1 de C₂ Couche N, avec le seul décalage de réseau de 0,48%. Afin de trouver la configuration stable de l'hétérostructure, nous déplaçons la monocouche de GaTe dans différentes directions. En conséquence, trois types d'empilement énergétiquement favorables avec une symétrie élevée nommés α -, β -, et γ -les empilements sont obtenus, comme illustré sur la Fig. 1c–e. Dans le α -empilement, le C₄ hexagonal N₂ les anneaux sont juste au-dessus des anneaux hexagonaux de GaTe. Quant au β - et γ -empilement, ils peuvent être obtenus en déplaçant la couche GaTe dans le α -empiler environ 1,21 et 2,42 Å le long du a + b direction, respectivement. Pour comparer les stabilités relatives des trois configurations d'empilement, nous calculons leurs énergies de liaison d'interface, \(\phantom {\dot {i}\!}E_{\mathrm {b}} =(E_{\mathrm {GaTe/C_{ 2}N}}-E_{\text {GaTe}}-E_{\mathrm {C_{2}N}})/S\), où \(\phantom {\dot {i}\!}E_{\ mathrm {GaTe/C_{2}N}}\), E _Gate , et \(E_{\mathrm {C_{2}N}}\) représentent les énergies totales du GaTe/C₂ Hétérostructure N, GaTe autonome et C₂ N monocouches, respectivement, et S est la surface de la supercellule 2D. Comme le montre le tableau 1, les énergies de liaison de GaTe/C₂ N hétérostructures avec α -, β -, et γ -les configurations d'empilement sont - 15,06 meV, - 14,97 meV et - 15,80 meV/Å ² , respectivement. Les trois énergies de liaison sont très proches les unes des autres bien que le γ -l'empilement est énergétiquement plus favorable, ce qui est cohérent avec sa plus petite distance intercouche. Nous confirmons en outre les stabilités dynamiques et thermiques de ces hétérostructures avec différentes formes d'empilement en calculant leurs spectres de phonons et en effectuant des simulations ab initio de dynamique moléculaire (MD) et montrons les résultats dans le fichier supplémentaire 1 :Figure S2. Tous les modes de phonons ont des fréquences positives à l'exception du mode acoustique transverse près du Γ point dû à l'adoucissement des phonons, confirmant la stabilité dynamique [5]. Dans les simulations MD, les énergies totales des systèmes oscillent dans certaines gammes d'énergie, et aucune reconstruction géométrique et aucune liaison brisée ne se produisent dans les hétérostructures, indiquant que ces systèmes sont thermiquement stables à température ambiante [39]. On note que lors de la simulation MD le γ -la configuration d'empilement possède la moindre ondulation d'énergie (moins de 7 meV/atome), ce qui indique sa stabilité thermique plus importante. Les énergies de liaison très proches des trois configurations d'empilement impliquent que leurs structures électroniques peuvent également être très similaires. Pour le confirmer, nous calculons les structures de bandes pour les trois configurations (voir Fichier complémentaire 1 :Figure S3). On peut voir que les trois structures de bandes sont en effet presque identiques. Bien que le γ - la configuration d'empilement est la plus stable, les trois configurations peuvent encore être peuplées avec certaines probabilités à température ambiante en raison de leurs énergies de formation similaires. Cependant, comme leurs structures électroniques sont également très proches les unes des autres, nous ne pouvons choisir qu'une seule configuration pour présenter notre travail. Ici, nous choisissons le γ le plus stable -configuration d'empilement dans les analyses et discussions suivantes.

Passons maintenant aux propriétés électroniques du GaTe/C₂ Hétérostructure N vdW. Comme le montre la figure 2a, la bande interdite de GaTe/C₂ L'hétérostructure N est calculée à environ 1,38 eV. En comparaison avec celle de ses composants, sa bande interdite est réduite grâce au GaTe-C₂ interaction N et l'alignement des bandes qui en résulte. Aussi, la structure électronique de C₂ La monocouche N est bien conservée. Néanmoins, la structure de bande projetée de GaTe dans l'hétérostructure a des changements considérables par rapport à la monocouche, ce qui peut être attribué au fait que les interactions intercouches vdW et électrostatiques peuvent entraîner le chevauchement des états électroniques dans les bandes de l'hétérostructure. Un comportement similaire est également trouvé dans MoS₂ /PbI₂ hétérostructure vdW [40]. De plus, nous constatons que ses VBM et CBM sont principalement localisés sur GaTe et C₂ N sous-couches, respectivement. D'après la densité totale et partielle d'états (PDOS) calculée sur la figure 2a (panneau de droite), on peut voir que le CBM provient principalement du p états des atomes N et C, alors que le VBM est principalement dominé par le p états des atomes Te et Ga. Les densités de charge décomposées en bande du CBM et du VBM sur la figure 2c, d révèlent que les électrons et les trous de plus basse énergie sont distribués dans le C₂ La couche N et la couche GaTe, respectivement, sont cohérentes avec les résultats PDOS détaillés ci-dessus. L'alignement des bandes du GaTe/C₂ L'hétérostructure N comprenant à la fois le décalage VB (VBO) et le décalage CB (CBO) est illustrée sur la figure 2b, qui est conforme à l'analyse de la figure 2a. Clairement, les VB et CB de la couche GaTe sont plus énergétiques que les bandes correspondantes du C₂ couche N, et le VBO et CBO entre le GaTe et C₂ N couches sont respectivement d'environ 1,03 et 0,72 eV. Lorsque l'hétérostructure est éclairée par la lumière, les électrons avec l'énergie obtenue à partir de la lumière du soleil sautent dans le CB à partir du VB. Et puis ces électrons photogénérés sur le CB de la feuille de GaTe peuvent être facilement déplacés vers celui du C₂ Couche N due au CBO observé. A l'inverse, les trous photogénérés sur le VB du C₂ Transfert de feuille N à celui de la couche GaTe à cause du VBO. Les résultats ci-dessus suggèrent qu'un alignement de bande de type II se forme à l'interface entre GaTe et C₂ N couches, ce qui est une condition préalable pour séparer efficacement les électrons et les trous. De plus, la différence de densité de charge moyenne dans le plan calculée de l'hétérostructure, montrée dans le fichier supplémentaire 1 :Figure S4, indique que certains électrons sont transférés du C₂ couche N à la couche GaTe. Cela signifie qu'un champ électrique intrinsèque (E _dans ) est induit avec sa direction pointant à partir de C₂ couche N à couche GaTe. Notez également que le E _dans agit en sens inverse (même) des transferts d'électrons photogénérés (trous) et inhibe ainsi la recombinaison des paires électron-trou photogénérées. De ce fait, sous l'effet conjugué de l'E intrinsèque _dans et le décalage de bande, les supports photogénérés peuvent être efficacement séparés sur différentes surfaces, ce qui peut améliorer l'efficacité de la conversion d'énergie et enfin améliorer les performances des dispositifs optoélectroniques.

un La structure de bande projetée du GaTe/C₂ N hétérostructure avec γ -la configuration d'empilement et la densité d'états totale et partielle correspondante. b Représentation schématique des alignements de bandes de type II pour le transfert et la séparation des porteurs dans le GaTe/C₂ N hétérostructure, se référant au niveau de vide. Les potentiels redox (ligne pointillée rouge) de la division de l'eau à pH =0 sont indiqués à titre de comparaison. Densités de charge décomposées par bande du c VBM et d CBM de l'hétérostructure

En outre, nous remarquons que le CBM de l'hétérostructure se localise plus positivement que le potentiel de réduction (− 4,44 eV vs niveau de vide) du dégagement d'hydrogène, alors que son VBM chevauche presque le potentiel d'oxydation (− 5,67 eV vs niveau de vide) du dégagement d'oxygène. Par conséquent, il n'a qu'une capacité photocatalytique limitée à séparer l'eau en produisant de l'hydrogène à pH =0. Néanmoins, la modification de l'espacement entre les couches et de la valeur du pH peut déclencher l'application potentielle de l'hétérostructure en tant que photocatalyseur de lumière visible (voir la discussion plus loin en détails).

En fait, un nano-dispositif photoélectrique prometteur devrait absorber autant de lumière UV visible que possible. Ainsi, nous explorons davantage les absorptions optiques du GaTe/C₂ N hétérostructure et ses composants. Les détails de calcul ont été entièrement décrits dans nos travaux précédents [22, 23]. Comme le montre la figure 3, le GaTe/C₂ L'hétérostructure N présente une plus forte absorption de la lumière UV visible et une plage d'absorption plus large par rapport à ses composants, en particulier dans la plage d'énergie de 2,20 à 4,71 eV. Ceci provient des nouvelles transitions optiques induites par le transfert de charge et le couplage intercouche dans l'hétérostructure [41].

Les spectres d'absorption optique calculés A (ω ) du GaTe/C₂ Hétérostructure N et ses composants utilisant la fonctionnelle hybride HSE06. Un (ω ) des hétérostructures avec des déformations verticales de 0,5 et 1,5 et des déformations dans le plan de +6% et -6%. Et le spectre solaire est également affiché à titre de comparaison

Il est bien connu que les déformations, y compris les déformations intercouches (normales) et dans le plan, constituent un moyen efficace d'ajuster les propriétés électroniques et ainsi d'améliorer les performances des matériaux [42]. Ici, nous explorons d'abord l'effet de contrainte normale dans GaTe/C₂ Hétérostructure N vdW. La déformation normale est évaluée par Δ d =d −d ₀ , où d et d ₀ sont les distances réelles et d'équilibre, respectivement, entre GaTe et C₂ N sous-couches. Ainsi, si Δ d> 0, le système est soumis à une contrainte de traction normale, et vice versa. Le changement dans l'interaction entre le GaTe et C₂ N couches doivent être réfléchies par l'intensité du transfert de charge entre elles. Les différences de densité de charge moyennes dans le plan calculées du GaTe/C₂ N hétérostructures avec différentes distances intercouches sont présentées dans le fichier supplémentaire 1 :Figure S5. Les résultats montrent que la distance entre le GaTe et C₂ N feuilles diminue, le transfert de charge s'intensifie évidemment en raison de l'interaction accrue entre les couches. Ainsi, le comportement électronique du GaTe/C₂ L'hétérostructure N devrait être bien ajustée par la déformation normale.

La bande interdite calculée et l'énergie de liaison de l'hétérostructure en fonction de la contrainte appliquée sont montrées sur la figure 4a, et les évolutions du CBM et du VBM de l'hétérostructure sous contrainte normale sont montrées sur la figure 4b. Il est clairement démontré qu'une contrainte de compression normale croissante réduit la bande interdite en raison de l'interaction accrue entre les couches. En revanche, une contrainte de traction normale croissante augmente d'abord lentement la bande interdite, puis atteint presque une convergence à Δ d ≃0,8Å, qui peut provenir de la plus grande réduction de l'interaction inter-couches [32]. On retrouve la structure d'équilibre en Δ d =0 a l'énergie de liaison la plus faible, ce qui est cohérent avec le résultat présenté dans le tableau 1. Pendant ce temps, nous remarquons que les alignements de bandes de type II et l'absorption améliorée de la lumière visible-UV sont préservés, étant presque indépendamment de la distance inter-couches (voir Fig. 3 et Fichier supplémentaire 1 :Figure S6). Plus intéressant encore, les grandes déformations normales de traction (Δ d ≃0.3 Å) décaler le VBM en dessous du O₂ /H₂ Potentiel d'oxydation O, rendant le système adapté à la séparation de l'eau à pH =0. Pendant la séparation photocatalytique de l'eau, les processus de production d'hydrogène et d'oxygène se produiront séparément dans le C₂ Couche N et couche GaTe, respectivement. Nous notons que dans une telle situation, le surpotentiel VBM est si faible qu'il peut ne pas être suffisant pour O₂ production [43], mais de tels potentiels de biais peuvent être ajustés en modifiant la valeur du pH du milieu [44]. En d'autres termes, les propriétés photocatalytiques pour la séparation de l'eau peuvent être davantage modulées en contrôlant le pH pour qu'il corresponde au potentiel redox de l'eau. Comme illustré sur la figure 4b, dans l'environnement acide de pH =2, les bords de bande de l'hétérostructure chevauchent parfaitement le potentiel redox de l'eau, montrant que l'hétérostructure est bien adaptée pour H₂ /O₂ production à partir d'eau, en particulier pour les grandes contraintes verticales appliquées.

Effets de contrainte normaux sur a la bande interdite et l'énergie d'attente, et b les positions de bord de bande de GaTe/C₂ Hétérostructure N vdW. Les potentiels redox de la division de l'eau à pH 0 (ligne pointillée rouge) et pH 2 (ligne pointillée bleue) sont présentés à titre de comparaison

Pour révéler davantage le mécanisme de la génération d'hydrogène photocatalytique sur GaTe/C₂ N hétérostructure, nous simulons l'adsorption et la décomposition de l'eau à la surface du C₂ Couche N, où l'hydrogène est produit lors de la séparation photocatalytique de l'eau. Étant donné que la formation de molécules d'hydrogène commence à partir de la décomposition de l'eau absorbée, nous étudions d'abord l'énergie d'absorption de H, OH et H₂ O sur le C₂ Surface N au niveau DFT/PBE. Les énergies d'adsorption correspondantes sont -1,03, -0,51 et -0,56 eV, respectivement, comme illustré sur la figure 5a. Les valeurs négatives indiquent que les absorptions sont énergétiquement favorables [45]. Par la suite, l'énergie de réaction calculée de la décomposition de l'eau est d'environ 1,48 eV (de - 0,56 à 0,92 eV). Cela signifie que la décomposition de l'eau est une réaction endothermique sur cette surface. De plus, comme les atomes d'hydrogène générés sont adsorbés sur C₂ N de surface, l'adatome d'hydrogène éloigné sera énergétiquement favorable pour migrer à proximité pour former des molécules d'hydrogène [46]. Comme le montre la figure 5b, l'énergie de réaction requise pour éliminer un H₂ de C₂ N est relativement faible (0,04 eV), ce qui indique que le H₂ adsorbé est facile à libérer et est bénéfique pour la production d'hydrogène gazeux photocatalytique.

un Configurations d'adsorption de H, OH, H₂ O et mécanisme de décomposition de H₂ O sur C₂ Surface N en GaTe/C₂ Hétérostructure N vdW. b Interaction entre deux adatomes d'hydrogène, formation et libération d'hydrogène moléculaire sur C₂ Surface N en GaTe/C₂ Hétérostructure N vdW

Enfin, nous nous tournons vers l'exploration de l'effet des déformations biaxiales dans le plan, qui est simulé en modifiant le paramètre de réseau cristallin et calculé par ε =(un −un ₀ )/a ₀ , où a et un ₀ sont les constantes de réseau des structures tendues et vierges, respectivement. Pour garantir que les déformations biaxiales dans la couche considérées se situent dans la plage de réponse élastique, nous examinons d'abord l'énergie de déformation par atome, E _s =(E _tendu −E _{sans contrainte} )/n , avec n étant le nombre d'atomes dans la maille unitaire. La courbe déformation-énergie calculée (voir Fig. 6a (à droite y -axe)) montre une caractéristique de la fonction quadratique, indiquant que toutes les déformations considérées sont dans la limite élastique et, par conséquent, sont entièrement réversibles. L'évolution de la bande interdite sous diverses déformations biaxiales est donnée sur la figure 6a. On peut voir que la bande interdite atteint sa valeur maximale (∼1,45 eV) sous la contrainte d'environ -2%. À ε =− 12% le système subit une transition semi-conducteur à métal, impliquant des propriétés de conduction et de transport accordables de cette hétérostructure. Pendant ce temps, une intéressante transition de bande interdite indirecte-directe-indirecte (Ind-D-Ind) se trouve à ε − 3 % et − 8 %, respectivement. Ces transitions sont dérivées des décalages d'énergie de bande induits par la déformation à différents points k (voir le fichier supplémentaire 1 pour plus de détails :Figure S7). La transition Ind-D et les changements de structure électronique dus à la contrainte peuvent améliorer l'absorption optique [47]. Sur la figure 3, nous comparons les absorptions optiques du GaTe/C₂ N hétérostructures sous des déformations de ± 6%, où leurs bandes interdites sont presque les mêmes. Les résultats montrent que les déformations biaxiales décalent vers le rouge les spectres optiques dans la plage de la lumière visible, ce qui est cohérent avec la diminution de la bande interdite discutée ci-dessus. Il est intéressant de noter qu'une déformation de -6% conduit à une absorption optique significativement améliorée dans la région de [1,60-2,65 eV]. En outre, il est également constaté que la contrainte peut modifier l'alignement de la bande. Comme le montre la figure 6b et le fichier supplémentaire 1 :figure S7, pour ε ≥ + 6 %, le CBM de la sous-couche de GaTe se déplace vers le bas et devient le CBM de l'hétérostructure. En conséquence, les énergies du CBM et du VBM dans la sous-couche GaTe sont à cheval sur celles du C₂ N sous-couche, conduisant à une transition du type II au type I. Ici, on note que le CBM et le VBM de la sous-couche de GaTe se rapprochent sous de grandes déformations en traction et forment une très faible bande interdite tandis que ceux de la sous-couche C ₂ La sous-couche N n'a qu'un changement mineur. Ce comportement peut être compris en considérant d'abord les effets de contrainte sur les structures électroniques des deux monocouches isolées. Des calculs précédents ont montré que la bande interdite de la monocouche GaTe est beaucoup plus sensible aux grandes déformations de traction que celle de C₂ Monocouche N :Sous de grandes déformations de traction, la première deviendra très petite tandis que la seconde restera [11, 16]. Cela peut être dû à la structure de flambement du GaTe, qui est affectée plus significativement par les déformations dans le plan. Comme les interactions intercouches globales dans l'hétérostructure sont faibles, principalement le vdW et les interactions électrostatiques qui n'ont que des effets mineurs sur la bande interdite, les comportements des deux monocouches sous de grandes contraintes de traction sont conservés dans le GaTe/C_{2 N hétérostructure. De plus, pour ε ≥−12%, le CBM et le VBM de la sous-couche GaTe deviennent plus élevés que ceux du C2 N sous-couche, et ainsi, l'alignement de bande de type III est formé. Cependant, lorsque la contrainte de compression est encore augmentée pour être supérieure à − 13%, cet alignement de bande de type III est rompu, où le C2 La sous-couche N deviendra métallique. En un mot, la souche peut concevoir efficacement le type et la valeur de la bande interdite et l'alignement de la bande du GaTe/C2 N hétérostructure. Cela sera utile pour concevoir des dispositifs électroniques et optoélectroniques multifonctionnels et performants.}

un Effets de déformation biaxiale dans le plan sur la bande interdite et l'énergie de déformation du GaTe/C₂ Hétérostructure N. Les régions mistyrose, bleue et verte représentent respectivement les plages de bande interdite du métal (M), Ind et D. b Les évolutions des positions des bords de bande des sous-couches dans l'hétérostructure en fonction de la déformation biaxiale dans le plan. Les régions I, II et III correspondent respectivement aux alignements de bandes de type I, -II et -III

Conclusions

En résumé, en effectuant des calculs DFT hybrides de premier principe, nous avons étudié systématiquement les propriétés structurelles, électroniques et optiques dépendantes de la déformation du GaTe/C₂ N hétérostructure. Il est prévu qu'il s'agisse d'un semi-conducteur à fente indirecte présentant des absorptions optiques améliorées dans la gamme des UV visibles par rapport à ses composants. L'alignement de bande de type II et le champ électrique intégré intrinsèque inhibent la recombinaison gaspillée en énergie des porteurs photogénérés et améliorent ainsi les performances des dispositifs optoélectroniques. En particulier, de grandes contraintes de traction normales peuvent rendre le système adapté à la division de l'eau à un certain pH. En étudiant les comportements d'absorption et de décomposition d'une molécule d'eau sur le C₂ N sous-couche dans l'hétérostructure, on constate que l'absorption de H₂ O et la formation de H₂ sur le C₂ Les surfaces N sont toutes énergétiquement favorables, ce qui est bénéfique pour la production photocatalytique d'hydrogène gazeux. Les contraintes de compression dans le plan induiront les transitions Ind-D-Ind et semi-conducteur-métal, tandis que les contraintes de traction dans le plan induiront la transition de type II à type I ou type III. Ces résultats démontrent que le GaTe/C₂ L'hétérostructure N a un grand potentiel dans les applications de dispositifs optoélectroniques multifonctionnels.

Abréviations

2D :

Bidimensionnel

CBM :

Bande de conduction minimum

CBO :

Décalage de la bande de conduction

DFT :

Théorie fonctionnelle de la densité

HSE06 :

Hybride Heyd-Scuseria-Ernzerhof

PBE :

Perdew-Burke-Ernzerhofer

PDOS :

Partial density of states

PTMCs:

Post transition metal chalcogenides

VBM:

Valence band maximum

VBO:

Valence band offset

vdW:

van der Waals