外电场和应变调节GaSe/硅烷范德华异质结构电子性质的第一性原理研究

摘要

通过第一性原理计算，研究了GaSe/硅烷(GaSe/SiH)范德华(vdW)异质结构在垂直电场和应变作用下的电子结构。异质结构的间接带隙特征在[−1.0，−0.4]V/Å范围内，直接带隙特征在[−0.3,0.2]V/Å范围内。此外，在−0.7和−0.3 V/Å处出现了ii型到i型波段的对准转变。此外，GaSe/SiH vdW异质结构在应变作用下具有ii型能带排列，但在−3%时发生间接向直接带隙半导体跃迁。这些结果表明GaSe/SiH vdW异质结构可能在新型纳米电子和光电子器件中有应用。

1.简介

自2004年Novoselov等人成功剥离石墨烯以来，凝聚态物理领域对二维(2D)材料产生了浓厚的研究兴趣[1］．大量的二维材料如硅石[2- - - - - -5，日耳曼烷[6，过渡金属卤化物[7]，过渡金属硫化物[8- - - - - -10]，过渡金属二卤硫化物(TMDs) [11- - - - - -15]，以及鲜为人知的半导体单层金属单硫化合物家族(MX, M = Ga, X =年代， Se) [11- - - - - -19已被报道过。然而，每种2D材料都有自己的优缺点;因此，一种材料不可能广泛应用于所有领域。例如，石墨烯的零带隙特性限制了它在开关器件中的应用;相比之下，BN是典型的带隙非常大的绝缘体[20.- - - - - -22］．为了克服这一问题，最近的研究报告称，两种不同的二维材料可以垂直堆叠，以构建范德瓦尔斯(vdW)异质结构，该异质结构不仅保留了原始二维材料的优异特性，而且由于两层之间的vdW力，该异质结构可能会呈现新的物理性能[23- - - - - -26］．这种方法为纳米电子学和光电子器件的研究开辟了新的途径;因此，它已成为一个研究兴趣浓厚的领域。

单层GaSe是通过化学气相沉积成功制备的2D MX家族的一员[27]，脉冲激光沉积[28]和微机械解理技术[29]，并随后被广泛研究[30.- - - - - -33］．已有报道从理论上证明，GaSe单分子层的电子结构、输运和光学性质对外加电场和应变非常敏感[30.- - - - - -32］．此外，许多基于单层GaSe的具有高光响应和开/关比的纳米电子和光电子器件已被成功制备[31，32］．这些理论和实验研究表明，单分子GaSe在纳米电子和光电子领域具有广阔的应用前景。硅烷(SiH)是一种完全氢化的硅烷，具有与硅烯相同的结构，但有较大的带隙，约2.93 eV [34- - - - - -36］．大量研究表明，SiH的电子能带结构可以通过均匀的拉伸应变和外加电场来调节[36- - - - - -38］．此外，Low等人[39]发现SiH n-MOSFET比由德国烷和2D TMD材料制成的晶体管提供了相对更好的ON-current性能。这些特性使SiH成为电子和光电子器件的有前途的候选者。

此外，近年来，大量vdW异质结构被实验合成和理论提出，包括BN/石墨烯[23), WS₂/金属氧化物半导体₂［40]和MoS₂/氮化镓[41］．特别是SiH和GaSe与其他二维材料的结合，包括GaSe/MoS₂［17]、GaSe/石墨烯、SiH/石墨烯和SiH/氢化六方氮化硼也受到了极大的关注，因为它们保留了有趣的电子性质并增强了它们的光学性质[42，43］．如蒋等。[42]理论发现，SiH/石墨烯和SiH/氢化六方氮化硼的带隙可以在外加电场的作用下从半导体调整为金属。同时，Pham等人[44]证明了GaSe/MoS₂vdW异质结构是一种间接带隙半导体，带隙为1.91 eV，具有ii型带对准。此外，许多研究小组已经成功合成了原子层GaSe/MoS₂范德华异质结构，并将其应用于光响应调制和作为光电二极管[45，46］．这些报告表明，基于GaSe和sih的vdW异质结构是有前途的二维半导体，在电子和光电子纳米器件中具有很高的新应用潜力。然而，目前还没有关于GaSe与SiH单层结合及其电子结构，以及电场和应变效应的报道。因此，本工作研究了GaSe/SiH vdW异质结构的设计，并通过第一性原理计算研究了它们的电子结构。还考虑了电场和应变对GaSe/SiH vdW异质结构电子结构的影响。

2.计算方法

基于密度泛函理论，通过第一性原理计算得到了GaSe/SiH vdW异质结构的优化结构和电子结构。Perdew-Burke-Ernzerhof泛函[47，48]用于晶体结构弛豫，这是SIESTA代码的一部分[49，50］．用范数守恒赝势来求解Kohn-Sham方程。截止能量设为100 Hatree，布里渊区采样K-网格选择9 × 9 × 1。为了得到更准确的结果，aK-网格采用11 × 11 × 1进行能带结构计算。对于弛豫，能量判据设为10⁻⁴eV，残余力小于−0.05 eV/Å。真空层的厚度设置为20 Å，以避免与相邻层的其他相互作用。重要的是，要将vdW异质结构结合在一起，需要长距离的vdW相互作用。本文选择vdW-DF3泛函来描述远程电子相关效应[51］．

3.结果与讨论

3.1.优化结构和地层能量

首先，我们对原有的单分子SiH和GaSe进行优化。优化后的SiH和GaSe晶格常数分别为3.889和3.847 Å，与已有的理论和实验值一致[35，37，38，52- - - - - -54］．因此，我们利用SiH和GaSe的一个单元细胞构建了GaSe/SiH vdW异质结构。晶格失配定义为 在哪里一个₁而且一个₂分别为SiH和GaSe的晶格常数。计算结果仅为~ 1.1%，表明GaSe/SiH vdW异质结构易于制备，且界面应力很小。因此，我们构建了六种可能的异质结构叠加构型来寻找地面结构，如图所示1(一)-1(f))，并标记为模型I至模型VI。

为了分析SiH与GaSe层之间的vdW相互作用，形成能(E_f)被定义为 在哪里E_f为GaSe/SiH vdW异质结构的形成能_{硅/硒化镓}E_硅氮，和E_硒化镓分别为GaSe/SiH vdW异质结构、SiH和GaSe单分子层的总能量。的计算值E_f已列于表1．所有的计算E_f数值为负值，表明从能量角度看，所有6种堆垛构型都是稳定的。其中构象模型V为地面结构，形成能量最低。此外，我们列出了接口距离(Δ，如图所示1(f))1．构象模型V距离最小，说明构象模型V为地面结构。因此，在下一节中，我们只关注构象模型V。

接下来，我们计算了SiH、GaSe和GaSe/SiH vdW异质结构的能带结构，如图所示2．SiH的传导带最小值(CBM)位于米点，而价带最大值(VBM)位于Γ点;这表明原始SiH是一种间接带隙半导体，对应的带隙为2.184 eV，这与Wang等和Guzmán-Verri等的论文结果一致。[38，55，56］．GaSe的CBM位于Γ点，VBM位于Γ-M线上，接近Γ点;这表明形成了带隙为1.871 eV的间接半导体。计算得到的带隙值与PBE方法得到的理论值1.60和1.77 eV相似[52- - - - - -54］．GaSe/SiH vdW异质结构的能带结构如图所示2 (c)．GaSe/SiH vdW异质结构的VBM和CBM都位于Γ点，表明其带隙为0.558 eV的直接半导体。此外，VBM主要来自SiH层，而CBM则来自GaSe层，即具有代表性的ii型能带排列[57- - - - - -60］．为了详细了解GaSe/SiH vdW异质结构的电子结构，我们绘制了GaSe/SiH vdW异质结构的能带排列图，如图所示2 (d)．SiH和GaSe的能带边分别为(1.875，−0.313)eV和(0.245，−1.319)eV。GaSe的CBM和VBM均低于SiH，进一步验证了GaSe/SiH vdW异质结构的ii型能带对齐。此外，我们发现我们的研究与之前的研究有一个小的差异，因为我们使用了不同的软件包。此外，我们还发现这些带隙比通过HSE方法得到的值更小，因为PBE方法低估了带隙。标准的PBE功能能够预测带结构的正确趋势，正确地展示它们的物理机制。因此，为了节省计算负载，我们使用PBE方法对外加电场和应变下的GaSe/SiH vdW异质结构进行了电子结构计算。

3.2.外电场效应

此前报道的理论和实验结果表明，外加电场可以显著影响vdW异质结构的能带结构，因此我们研究了垂直电场作用下GaSe/SiH vdW异质结构的电子结构[38，61- - - - - -66］．电场垂直于GaSe/SiH的vdW异质结构，电场正方向由SiH向GaSe。外加电场的取值范围为[−1.0,1.0]V/Å，步长为0.1 V/Å。电场对GaSe/SiH vdW异质结构带边、带隙和能带结构的影响如图所示3.和图S1．GaSe衍生的VBM和SiH衍生的CBM在[−1.0，−0.7]V/Å的范围内，GaSe衍生的VBM和CBM在[−0.6，−0.4]V/Å的范围内，SiH衍生的VBM和GaSe衍生的CBM在[−0.3,0.2]V/Å的范围内。这些结果表明，GaSe/SiH vdW异质结构在[−1.0，−0.7]和[−0.3,0.2]V/Å范围内具有ii型能带对准，而在[−0.6，−0.4]V/Å范围内具有i型能带对准。VBM位于[−1.0，−0.4]V/Å范围内的Γ-M线上，接近Γ点，位于[−0.3,0.2]V/Å范围内的Γ点。建立信任措施位于米在[−1.0，−0.6]V/Å范围内，位于[−0.5,0.2]V/Å范围内的Γ点。这些数值结果表明，GaSe/SiH vdW异质结构在[−1.0，−0.4]V/Å范围内为间接带隙半导体，在[−0.3,0.2]V/Å范围内为直接带隙半导体。此外，在0.3 V/Å处发生了金属-半导体相变。综上所述，GaSe/SiH vdW异质结构是一种ii型能带对准范围为[−1.0，−0.7]V/Å的间接带隙半导体，一种i型能带对准范围为[−0.6，−0.4]V/Å的间接带隙半导体，一种ii型能带对准范围为[−0.3,0.2]V/Å的直接带隙半导体，然后转变为金属态。这些结果表明，在外加电场作用下，GaSe/SiH vdW异质结构具有变能带结构。

3.3.应变效应

应变已知也会影响vdW异质结构的电子结构[38，63- - - - - -68］．本文研究了平面内双轴应变对GaSe/SiH vdW异质结构电子结构的影响。通过改变晶体点阵参数，模拟GaSe/SiH vdW异质结构的平面内双轴应变，然后按以下公式计算: 在哪里一个₀而且一个分别为非应变和应变条件下的晶格参数。外部应变的施加范围为−5%到5%，步骤为1%。应变对GaSe/SiH vdW异质结构带边、带隙和电子结构的影响如图所示4和图S2．带隙在[- 5%，- 4%]范围内随应变的增加而增大，在[- 3%，- 5%]范围内随应变的增加而减小。VBM位于整个范围内的Γ点，而CBM位于米在[−5%，−4%]范围内的点和在Γ范围内[−3%，5%]的点。此外，VBM来源于SiH, CBM来源于GaSe。因此，GaSe/SiH vdW异质结构在应变作用下具有ii型能带排列。上述结果表明，GaSe/SiH vdW异质结构是一种间接带隙半导体，ii型带对准范围为[−5%，−4%]，而它是一种直接带隙半导体，ii型带对准范围为[−3%，5%]。结果表明，应变能有效地调节GaSe/SiH vdW异质结构的电子结构。

4.结论

综上所述，通过第一性原理计算确定了在外加电场和外加应变作用下GaSe/SiH vdW异质结构的电子结构。我们观察到GaSe/SiH vdW异质结构在[−1.0，−0.7]V/Å范围内是ii型带对的间接带隙半导体，在[−0.6，−0.4]V/Å范围内是i型带对的间接带隙半导体，在[−0.3,0.2]V/Å范围内是ii型带对的直接带隙半导体，然后过渡到金属态。此外，GaSe/SiH vdW异质结构是一种间接带隙半导体，ii型带对准范围为[−5%，−4%]，而它是一种直接带隙半导体，ii型带对准范围为[−3%，5%]。结果表明，GaSe/SiH vdW异质结构的可调谐带隙为制备新型纳米电子和光电子器件提供了一条有前途的途径。

数据可用性

没有数据用于支持这项研究。

利益冲突

作者声明没有利益冲突。

致谢

作者感谢来自中国Edanz编辑公司的Arun Paraecattil博士(http://www.liwenbianji.cn/ac)，以编辑本手稿草稿的英文文本。

补充材料

图1S:在0.1 V/Å阶跃电场作用下GaSe/SiH vdW异质结构的能带结构。从左到右的上电平为−1 ~−0.1 V/Å，从左到右的下电平为0.1 ~ 1v /Å。蓝线代表GaSe，而红线代表SiH。图2S:台阶为1%的平面内双轴应变下GaSe/SiH vdW异质结构的能带结构;菌株从左到右依次为−5% ~ 5%。蓝线代表GaSe，而红线代表SiH。（补充材料）

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