Strain Engineering op de elektronische en optische eigenschappen van WSSe Bilayer

Resultaten en discussie

De Janus WSSe-monolaag heeft een hexagonaal rooster, waarbij de eenheidscel bestaat uit een middelste W-atoom in zijn vlakke honingraatrooster dat drie-coördinaat verbonden is met de oppervlakte-S- en Se-atomen. De geoptimaliseerde roosterconstante van WSSe is 3,23 met de WS- en W-Se-bindingslengtes van respectievelijk 2,42 en 2,53 Å, die zijn uitgelijnd met de eerder gerapporteerde waarden [32]. Volgens de structurele symmetrie wordt rekening gehouden met vijf verschillende stapelconfiguraties van WSSe-dubbellaag, die respectievelijk zijn gemarkeerd als AA, AA', AB, AB' en A'B. Voor elke stapeling worden drie verschillende orden van chalcogeenlagen beschouwd:S-Se-S-Se, Se-S-S-Se en S-Se-Se-S. Alle geometrische evenwichtsconfiguraties van de WSSe-dubbellaag zijn weergegeven in Fig. 1. Elke configuratie is respectievelijk volledig ontspannen om de tussenlaagafstand te optimaliseren.

Boven- en zijaanzichten van de atomaire configuratie van de WSSe-dubbellaag. De paarse ballen vertegenwoordigen de W-atomen en de gele en groene ballen vertegenwoordigen respectievelijk de S- en Se-atomen

Om de structurele stabiliteit van de WSse-dubbellaag kwantitatief te bepalen, zijn de bindingsenergieën E _b van alle bovenstaande geometrische configuraties worden berekend uit de relatie:

waar E _dubbellaag en E _WSSe zijn de totale energieën van respectievelijk WSse-dubbellaag en monolaag.

Zoals getoond in Fig. 2, hebben voor alle stapelstructuren chalcogeenlagen met de volgorde S-Se-Se-S de grootste bindingsenergie, terwijl de omgekeerde volgorde Se-S-S-Se de kleinste bindingsenergie heeft. Bovendien wordt gevisualiseerd dat AA', AA' en AB de meest stabiele stapelconfiguraties zijn van S-Se-Se-S-, S-Se-S-Se- en Se-SS-Se-orders, met de bindingsenergieën van respectievelijk 0,322, 0,304 en 0,281 eV. Dit geeft aan dat de Janus WSSe-dubbellaag er de voorkeur aan geeft een bilateraal symmetrische AA'-stapeling te vormen met de S-Se-Se-S chalcogen-orde, die verschilt van de MoSSe/WSSe-heterostructuur van AB-stapeling [33].

Bindingsenergieën van alle geometrische evenwichtsconfiguraties van WSSe-dubbellaag

Gezien de hierboven genoemde meest stabiele stapelstructuren voor elke chalcogeen-orde, worden zowel de elektronische als optische eigenschappen grondig onderzocht. Voor het gemak worden de AA'-stapeling met S-Se-S-Se-structuur, de AB-stapeling met Se-SS-Se-structuur en de AA'-stapeling met S-Se-Se-S-structuur genoemd als I ₁ , ik ₂ , en ik ₃ , respectievelijk, in de volgende discussie.

Bandstructuren van de Janus WSSe dubbellagen I ₁ , ik _2, en ik ₃ worden berekend, zoals weergegeven in Fig. 3. Alle drie de configuraties vertonen een fundamentele indirecte bandgap-structuur, die vergelijkbaar is met die van de zuivere dubbellaagse WS₂ en WSe₂ . De valentiebandmaxima (VBM) bevinden zich allemaal op Γ punt, terwijl het geleidingsbandminimum (CBM) zich op K . bevindt punt voor ik ₁ , en tussen K en Γ punten voor beide I ₂ en ik ₃ . De indirecte bandgap van I ₃ wordt berekend op ongeveer 1,3 eV, iets groter dan die van I ₁ en ik ₂ waarvan de bandgaps ongeveer 1,0 eV zijn. Ondanks dat de bandgaps worden onderschat zonder de gescreende hybride HSE06-functionaliteit, hebben de bandstructuurverdelingen geen significante verandering, en dus zal de onderschatting de evolutietendens van de elektronische eigenschappen onder de spanningsmodulatie niet substantieel beïnvloeden.

Bandstructuren van I ₁ , ik ₂ , en ik ₃ , respectievelijk, waar de bandgaps worden aangegeven door de blauwe pijlen

Strain engineering is een veelbelovende methode om de structurele symmetrie en de interactie tussen de lagen te manipuleren, wat zou kunnen leiden tot tal van charmante verschijnselen. Om de elektronische structuren van WSSe-dubbellagen te bestuderen die worden gemoduleerd door de uitgeoefende spanning, worden de energiebanden geanalyseerd, zoals geïllustreerd in Fig. 4a-r. Wanneer een drukspanning variërend van − 6 tot − 2% wordt toegepast, wordt de oorspronkelijke VBM op Γ punt gewijzigd in K punt voor ik ₁ en ik ₃ configuraties, terwijl er weinig variatie is voor I ₂ . De originele CBM bij K punt verschuift naar de positie tussen Γ en K punten voor alle drie de structuren. Zodra de trekspanning in het gebied van 2% ~ 6% is toegepast, blijft de VBM op Γ punt terwijl de CBM zich allemaal op het K-punt bevindt.

een –r Bandstructuren van I ₁ , ik ₂ , en ik ₃ met verschillende stammen van respectievelijk − 6%, − 4%, − 2%, 2%, 4% en 6%. De bandgaps worden aangegeven met de gestippelde groene pijlen, terwijl rode ononderbroken pijlen de belangrijkste interbandovergangen van P weergeven ₁ en P ₂ , respectievelijk

Figuur 5 vat de spanningsafhankelijke bandgap voor de drie structuren samen. Het is in één oogopslag duidelijk dat de reacties van de bandgap op compressieve spanning en trekrek niet alleen met ongelijke responsiviteit zijn, maar ook met verschillende gradiënten naarmate de uitgeoefende spanning toeneemt. De bandgap is minder gevoelig voor compressieve spanning, terwijl deze dramatisch afneemt met de verhoogde trekspanningen. Naarmate de drukspanning toeneemt, neemt de CBM van beide I ₁ en ik ₃ wordt verheven tot hogere energie, terwijl die van ik ₂ wordt teruggeschakeld naar lagere energie, wat resulteert in een lichte afname voor I ₂ en verhoog voor I ₁ en ik ₃ in de indirecte bandgaps. In aanwezigheid van de trekspanning neemt de CBM enorm af terwijl de VBM zachtjes stijgt. De indirecte bandgap vertoont dus een opvallende afname en neemt sterk af wanneer de trekspanning 6% bereikt. Vergeleken met die van de gespannen Janus WSSe monolaag [34], zijn de bandgaps van I₁ en ik₃ laten over het algemeen een vergelijkbare evolutie zien met zowel compressieve als trekspanningsmodulaties, terwijl de bandgap van I₂ gedraagt ​​zich tegengesteld onder de drukkrachten.

De bandkloof (E _g ) versus de toegepaste stammen voor de I ₁ , ik ₂ , en ik ₃ structuren

Om inzicht te krijgen in de elektronische structuur van de WSSe-dubbellaag in aanwezigheid van de stammen, wordt de atomaire orbitale geprojecteerde energieband bestudeerd, zoals te zien is in Fig. 6. Vanwege de centrale inversiesymmetrie (Fig. 1l), worden de orbitalen van de bovenste en onderste lagen voor I ₃ zijn energie degenereren, die identieke bijdragen leveren aan de bandstructuur. Integendeel, vanwege de structuurinversie-asymmetrie van I ₁ en ik ₂ , zijn de orbitalen van de bovenste en onderste lagen gesplitst. De bovenstaande resultaten suggereren dat er een positieve correlatie is tussen de degeneratie en de structurele symmetrie. Vanwege de centrale inversiesymmetrie van I ₃ stapelen, de orbitalen van de bovenste en onderste lagen voor I ₃ zijn energiedegeneratie, die identieke bijdragen leveren aan de bandstructuur, ongeacht de variërende stammen. Zoals afgebeeld in Fig. 6g-i, zijn zowel de CBM als de VBM gelijkelijk afgeleid van de twee WSSe-lagen. Integendeel, vanwege de structurele inversie-asymmetrie van I₁ en ik₂ , zijn de orbitalen van de twee lagen gesplitst, zoals weergegeven in Fig. 6a-c en Fig. 6d-f. De originele ik ₁ structuur vertoont een typische type II heterostructuur, waarbij de CBM en VBM respectievelijk werden bijgedragen door de onderste en bovenste WSSe Janus-lagen. De banduitlijning varieert niet onder de druk- of trekspanningen (Fig. 6a-c). Wat betreft de ik ₂ stapelen zonder en met een compressieve spanning, de CBM komt uit beide lagen en de VBM is afkomstig van de bovenste laag (Fig. 6d, e). De ik ₂ heterostructuur verandert in een type-II banduitlijning onder de trekspanning (figuur 6f), wat een veelbelovend vooruitzicht aangeeft voor het ontwikkelen van hoogwaardige opto-elektrische conversie- en energieopslagapparaten [35].

Atoomorbitaal geprojecteerde energiebanden van I ₁ , ik ₂ , en ik ₃ structuren onder de spanningen van respectievelijk − 4%, 0 en 4%. Blauwe en rode kleuren betekenen respectievelijk orbitale bijdragen van de bovenste en onderste lagen

Om het spin-orbit-koppelingseffect (SOC) in de spanningstechniek in de WSSe-dubbellaag verder te onderzoeken, worden de bandstructuren met inachtneming van SOC verder berekend zonder en met de spanningen van − 4% en 4%, zoals weergegeven in Fig. 7. Het is gebleken dat, voor alle drie de configuraties, de bandstructuren inclusief de momentumposities van VBM en CBM, de bandgaps en bandverdelingen een vergelijkbare evolutietendens vertonen met de variërende spanningen. Dit suggereert dat de regelmaat van de modulatie van de stam nog steeds aanwezig is en dat het SOC-effect de belangrijkste conclusies niet duidelijk beïnvloedt.

een –ik Bandstructuren van I ₁ , ik ₂ , en ik ₃ onder de spanningen van − 4%, 0 en 4% met inachtneming van het SOC-effect, waarbij de zwarte en opgeblazen kleuren respectievelijk de opwaartse en neerwaartse spins betekenen. De bandgaps worden aangegeven met de rode pijlen

Met het doel om de optische eigenschappen van de WSSe-dubbellaag te moduleren, wordt de respons van de diëlektrische functie onder externe variërende belasting bestudeerd. Afbeelding 8 toont de complexe diëlektrische functie ε ^” _xx (ε ^” _jj ) en ε ^” _zz van WSse-dubbellaag versus de toegepaste spanning. ε ^” _xx (ε ^” _jj ) blijkt te verschuiven naar lagere energieën met de toenemende trekspanning, en integendeel, verschuift naar het hogere energiegebied terwijl een samendrukkende spanning wordt toegepast. Vergeleken met de ongespannen WSSe-dubbellaag met de dipoolovergang van respectievelijk 0,79, 1,18 en 1,15 eV voor I ₁ , ik ₂ , en ik ₃ structuren, is de spanningsmodulatie in staat om een ​​brede overgangsenergie van 0,24 tot 1,47 eV te verkrijgen in nabij-infrarood en midden-infrarood gebied, wat uitgebreide mogelijkheden zou kunnen bieden voor diverse detectoren, bijvoorbeeld infrarood detector en pyro-elektrische detector.

De denkbeeldige delen van de berekende optische diëlektrische functie ε ^” _xx (ε ^” _jj ) en ε ^” _zz voor ik ₁ (een , b ), Ik ₂ (c , d ), en ik ₃ (e , v ) WSse-dubbellaag versus de toegepaste spanning, respectievelijk

De belangrijkste pieken in het denkbeeldige deel van de diëlektrische functie aangeduid als P ₁ en P ₂ in figuur 8a, c en e zouden kunnen worden toegewezen aan de belangrijkste interbandovergangen. Dit wordt bereikt door de piekenergieën in Fig. 8 aan te passen aan die van de interbandovergangen in Fig. 4. Wanneer een spanning variërend van − 6 tot 6% wordt toegepast, worden de piekenergieën van P ₁ en P ₂ eerst toenemen en daarna afnemen. Ongeacht de soorten, zowel de P ₁ en P ₂ pieken blijken plaats te vinden in het energiebereik van 1,3-3,0 eV, die een grote verbeterde respons vertonen in een breed spectrum van ultraviolet, zichtbaar tot het nabij-infrarode gebied. De wijdverspreide pieken zouden geschikt moeten zijn voor het ontwerp van multiband-metamateriaalemitters met veelbelovende foto-elektrische toepassingen.

De controleerbare anisotropie van de WSse-dubbellaag door middel van stamtechniek wordt verder onderzocht. Vergeleken met die van ε ^” _xx (ε ^” _jj ), ε ^” _zz vertoont onbeduidende variatie, ongeacht de trek- of drukspanning. Dit toont het feit aan dat het denkbeeldige deel van de diëlektrische functie verschillende responseigenschappen heeft bij de verhoogde belasting. Zonder de spanning, de ε ^” _xx (ε ^” _jj ) en ε ^” _zz zijn anisotropie met E||ĉ transformatievoorkeur voor alle I ₁ , ik ₂ , en ik ₃ structuren. Voor ofwel ik ₁ of ik ₃ , terwijl een compressieve spanning wordt toegepast, wordt de anisotropie van de dipoolovergang eerst versterkt en vervolgens verzwakt en dat met de trekspanning wordt altijd verbeterd. Niettemin is de anisotropie van I ₂ wordt versterkt met de toenemende trekspanning en wordt verzwakt zodra een compressieve spanning wordt geïntroduceerd. Een isotropie van dipoolovergang treedt op wanneer de compressieve spanning blijft toenemen tot − 6% ~ 4%, waarbij zowel E||ĉ als E⊥ĉ een gelijke transformatievoorkeur hebben. Dus de WSse-dubbellaag met een geschikte spanningsmodulatie zal leiden tot een overgang van optische anisotropie naar isotropie. Aangezien het excitonische effect meestal een belangrijke rol speelt bij de optische absorptie [36, 37], kan de door de diëlektrische functie bepaalde voorkeur voor de dipoolovergang worden onderzocht voor de potentiële opto-elektronische toepassingen met een elektroluminescentieproces.

Zoals is aangetoond dat sommige typische TMDC-monolagen met 2H-fase dezelfde hexagonale roosters en vergelijkbare karakters hebben in hun monolaag-bandstructuren [5, 33, 38, 39]. Daarom zijn de Janus-monolaag en -dubbellaag afgeleid van deze TMDC-materialen, zoals MXY (M =Ma of W, X /J =S, Se of Te, en X ≠ J ), zou naar verwachting vergelijkbare bandstructuren [8, 32] hebben en dus de vergelijkbare elektronische en optische eigenschappen, evenals evolutieneiging met spanningsmodulatie. Daarom zullen de belangrijkste berekeningsresultaten een zekere universaliteit hebben in 2H-TMDC Janus-materialen. De vorige rapporten doornemen, de mechanische eigenschappen van out-of-plane gebogen MoS₂ dunne films zijn onthuld [40], de elektronische en optische eigenschappen van TMDC-verbindingen zijn bestudeerd [22], en het is aangetoond dat de energiehiaten van monolaag en Janus heterobilaag TMDC's het elektrische veld regelen [41]. In vergelijking met deze werken bieden we een reeks innovatieve resultaten in spanningsgemoduleerde elektronische en optische eigenschappen van 2D Janus WSSe-dubbellaag, die de fysieke connotatie van de Janus-materialen verrijkt en een veelbelovende controlestrategie biedt voor de toepassing van elektronische en opto-elektronische nano-apparaten.