WSSe 이중층의 전자 및 광학 특성에 대한 변형 공학

Janus WSSe 이중층 I의 밴드 구조 ₁ , 나 _2, 그리고 나 ₃ 세 가지 구성 모두 순수한 이중층 WS₂의 구성과 유사한 기본 간접 밴드갭 구조를 나타냅니다. 및 WSe₂ . 가전자대 최대값(VBM)은 모두 Γ에 있습니다. 점, 전도 대역 최소값(CBM)은 K에 위치 나에 대한 포인트 ₁ , 그리고 K 사이에 위치 및 Γ 나 모두에 대한 포인트 ₂ 그리고 나 ₃ . I의 간접 밴드갭 ₃ I보다 약간 큰 약 1.3 eV로 계산됩니다. ₁ 그리고 나 ₂ 밴드갭은 약 1.0 eV입니다. 스크리닝된 하이브리드 HSE06 기능 없이 밴드갭이 과소평가되었음에도 불구하고 밴드 구조 분포에는 큰 변화가 없으므로 과소평가는 변형률 변조에서 전자 특성의 진화 경향에 실질적으로 영향을 미치지 않습니다.

I의 밴드 구조 ₁ , 나 ₂ , 그리고 나 ₃ , 여기서 밴드갭은 파란색 화살표로 표시됩니다.

변형 공학은 구조적 대칭과 층간 상호 작용을 조작하기 위한 유망한 방법이며, 이는 풍부한 매력적인 현상을 일으킬 수 있습니다. 적용된 변형률에 의해 변조된 WSSe 이중층의 전자 구조를 연구하기 위해 그림 4a-r에 표시된 대로 에너지 밴드가 분석됩니다. -6 ~ -2% 범위의 압축 변형률이 적용될 때 Γ에서의 원래 VBM 포인트가 K로 변경됨 나에 대한 포인트 ₁ 그리고 나 ₃ I에 대한 구성은 거의 다양하지 않음 ₂ . K의 오리지널 CBM Γ 사이의 위치로 포인트 이동 및 K 세 가지 구조 모두에 대한 포인트입니다. 2%~6% 영역의 인장 변형률이 적용되면 VBM은 Γ로 유지됩니다. CBM이 모두 K 지점에 있는 동안 지점입니다.

아 –r I의 밴드 구조 ₁ , 나 ₂ , 그리고 나 ₃ -6%, -4%, -2%, 2%, 4% 및 6%의 다른 변형으로 각각. 밴드갭은 녹색 점선 화살표로 표시되고 빨간색 실선 화살표는 P의 주요 대역 간 전환을 나타냅니다. ₁ 그리고 피 ₂ , 각각

그림 5는 세 가지 구조에 대한 변형에 따른 밴드갭을 요약한 것입니다. 압축 변형률과 인장 변형률에 대한 밴드갭의 응답은 응답성이 동일하지 않을 뿐만 아니라 적용된 변형률이 증가함에 따라 기울기도 다릅니다. 밴드갭은 압축 변형률에 덜 민감하지만 인장 변형률이 향상되면 극적으로 감소합니다. 압축 변형률이 증가함에 따라 I ₁ 그리고 나 ₃ 나의 에너지는 더 높은 에너지로 상승합니다. ₂ 낮은 에너지로 하향 이동하여 I ₂ 나에 대한 증가 ₁ 그리고 나 ₃ 간접 밴드갭에서 인장 변형률이 있는 경우 CBM은 크게 감소하는 반면 VBM은 완만하게 상승합니다. 따라서 간접 밴드갭은 현저한 감소를 나타내며 인장 변형률이 6%에 도달하면 급격히 감소합니다. 변형된 Janus WSSe 단층[34]과 비교하여 I₁의 밴드갭은 그리고 나₃ I₂의 밴드갭이 있는 반면 압축 및 인장 변형 변조 모두에서 일반적으로 유사한 진화를 보여줍니다. 압축 변형률에서 반대로 동작합니다.

밴드갭(E _g ) 대 I에 적용된 균주 ₁ , 나 ₂ , 그리고 나 ₃ 구조

변형이 있는 상태에서 WSSe 이중층의 전자 구조에 대한 통찰력을 얻기 위해 그림 6에서 볼 수 있는 것처럼 원자 궤도 투영 에너지 밴드를 연구합니다. 중심 반전 대칭(그림 1l)으로 인해 궤도 I의 상위 및 하위 레이어 ₃ 밴드 구조에 동일한 기여를 하는 에너지 퇴화입니다. 반대로 I의 구조 역전 비대칭으로 인해 ₁ 그리고 나 ₂ , 상위 및 하위 레이어의 오비탈이 분할됩니다. 위의 결과는 축퇴성과 구조적 대칭 사이에 양의 상관관계가 있음을 시사한다. I의 중심 반전 대칭으로 인해 ₃ 스태킹, I에 대한 상위 및 하위 레이어의 오비탈 ₃ 다양한 변형에 관계없이 밴드 구조에 동일한 기여를 하는 에너지 축퇴입니다. 그림 6g-i에서 볼 수 있듯이 CBM과 VBM은 모두 두 개의 WSSe 레이어에서 동일하게 파생되었습니다. 반대로 I₁의 구조적 반전 비대칭 때문에 그리고 나₂ , 그림 6a–c 및 그림 6d–f와 같이 두 레이어의 궤도가 분할됩니다. 원래 나 ₁ 구조는 CBM과 VBM이 각각 하부 및 상부 WSSe Janus 층에서 기여하는 전형적인 유형 II 헤테로구조를 나타냅니다. 밴드 정렬은 압축 또는 인장 변형에서 변하지 않습니다(그림 6a-c). 나는 ₂ 압축 변형 없이 또는 압축 변형이 있는 스택에서 CBM은 두 레이어 모두에서 발생하고 VBM은 상위 레이어에서 시작됩니다(그림 6d, e). 나 ₂ 이종 구조는 인장 변형 하에서 type-II 밴드 정렬로 변경되며(그림 6f), 이는 고성능 광전 변환 및 에너지 저장 장치 개발에 대한 유망한 전망을 나타냅니다[35].

I의 원자 궤도 투영 에너지 밴드 ₁ , 나 ₂ , 그리고 나 ₃ 각각 -4%, 0, 4%의 ​​변형률 하에서 구조. 파란색과 빨간색은 각각 상위 및 하위 레이어의 궤도 기여를 의미합니다.

WSSe 이중층의 변형 공학에서 스핀-궤도 결합(SOC) 효과를 추가로 탐색하기 위해 SOC를 고려한 밴드 구조가 그림 4와 같이 -4% 및 4% 변형 없이 추가로 계산됩니다. 7. 세 가지 구성 모두에서 VBM과 CBM의 운동량 위치를 포함하는 밴드 구조, 밴드 갭 및 밴드 분포가 다양한 변형률에 따라 유사한 진화 경향을 나타냄을 알 수 있습니다. 이는 변형률 변조 규칙성이 여전히 남아 있고 SOC 효과가 주요 결론에 분명히 영향을 미치지 않음을 시사합니다.

아 –나 I의 밴드 구조 ₁ , 나 ₂ , 그리고 나 ₃ SOC 효과를 고려하여 -4%, 0 및 4%의 변형률에서 검정색과 블로우 색상은 각각 업 스핀과 다운 스핀을 의미합니다. 밴드갭은 빨간색 화살표로 표시됩니다.

WSSe 이중층의 광학적 특성을 조절하기 위해 외부 변형률 하에서 유전 기능의 응답이 연구됩니다. 그림 8은 복소 유전 함수 ε ^” 를 보여줍니다. _xx (ε ^” _yy ) 및 ε ^” _zz WSSe 이중층 대 적용된 변형률. ε ^” _xx (ε ^” _yy )는 인장변형률이 증가함에 따라 낮은 에너지로 이동하고, 반대로 압축변형률이 가해지면 높은 에너지 영역으로 이동하는 것으로 나타났다. I에 대해 각각 0.79, 1.18 및 1.15 eV의 쌍극자 전이를 갖는 변형되지 않은 WSSe 이중층과 비교 ₁ , 나 ₂ , 그리고 나 ₃ 구조에서 변형률 변조는 근적외선 및 중적외선 영역에서 0.24 ~ 1.47 eV의 광범위한 전이 에너지를 얻을 수 있으며, 이는 적외선 감지기 및 초전기 감지기와 같은 다양한 감지기에 광범위한 가능성을 제공할 수 있습니다.

계산된 광 유전 함수의 허수부 ε ^” _xx (ε ^” _yy ) 및 ε ^” _zz 나를 위해 ₁ (아 , b ), 나 ₂ (ㄷ , d ), 그리고 나 ₃ (이 , f ) WSSe 이중층 대 적용된 변형률, 각각

P로 표시된 유전 함수의 허수부의 주요 피크 ₁ 그리고 피 ₂ 그림 8a에서 c, e는 주요 대역간 전이에 할당될 수 있습니다. 이것은 그림 8의 피크 에너지를 그림 4의 대역간 전이의 에너지와 맞추면 달성됩니다. -6 ~ 6% 범위의 변형률이 적용될 때 P의 피크 에너지 ₁ 그리고 피 ₂ 먼저 증가하고 감소합니다. 균주에 관계없이 P ₁ 그리고 피 ₂ 피크는 1.3–3.0 eV의 에너지 범위에서 발생하는 것으로 밝혀졌으며, 이는 자외선에서 근적외선 영역에 이르는 넓은 스펙트럼에서 크게 향상된 응답을 나타냅니다. 광범위하게 분포된 피크는 유망한 광전 응용 분야를 가진 다중 대역 메타물질 방출기의 설계에 적합해야 합니다.

변형 공학을 통해 WSSe 이중층의 제어 가능한 이방성을 추가로 조사합니다. ε ^" 과 비교 _xx (ε ^” _yy ), ε ^” _zz 인장 또는 압축 변형률에 관계없이 미미한 변화를 보입니다. 이것은 유전 함수의 허수부가 변형률이 증가함에 따라 다른 응답 특성을 갖는다는 사실을 나타냅니다. 변형 없이 ε ^” _xx (ε ^” _yy ) 및 ε ^” _zz 모든 I ₁ , 나 ₂ , 그리고 나 ₃ 구조. 나 ₁ 또는 나 ₃ , 압축 변형률이 가해지면 쌍극자 전이의 이방성이 먼저 향상되고 약화되고 인장 변형률이 있는 경우 항상 이방성이 향상됩니다. 그럼에도 불구하고 I의 이방성은 ₂ 인장 변형률이 증가함에 따라 강화되고 압축 변형률이 도입되면 약해집니다. 쌍극자 전이의 등방성은 압축 변형률이 − 6%~− 4%로 계속 증가할 때 발생하며, 여기서 E||ĉ와 E⊥ĉ는 모두 동일한 변환 선호도를 갖습니다. 따라서 적절한 변형률 변조가 있는 WSSe 이중층은 광학 이방성에서 등방성으로의 전환으로 이어질 것입니다. 여기자 효과는 일반적으로 광 흡수에서 중요한 역할을 하기 때문에[36, 37], 유전 함수 결정된 쌍극자 전이 선호도는 전계발광 프로세스를 통한 잠재적인 광전자 응용 분야에 대해 탐색될 수 있습니다.

2H 위상을 갖는 일부 전형적인 TMDC 단층은 단층 밴드 구조에서 동일한 육각 격자 및 유사한 특성을 갖는 것으로 입증되었습니다[5, 33, 38, 39]. 따라서 MXY(M =Mo 또는 W, X /예 =S, Se 또는 Te 및 X ≠ 예 ), 유사한 밴드 구조[8, 32]를 가질 것으로 예상되며, 따라서 유사한 전자 및 광학 특성과 변형률 변조의 진화 경향이 있습니다. 따라서 주요 계산 결과는 2H-TMDC Janus 재료에서 특정 보편성을 가질 것입니다. 이전 보고서를 살펴보면 면외 굽힘 MoS₂의 기계적 특성 박막이 밝혀지고[40], TMDC 화합물의 전자적 및 광학적 특성이 연구되고[22], 단층 및 Janus heterobilayer TMDC의 에너지 갭이 전기장을 제어하는 ​​것으로 입증되었습니다[41]. 이러한 작업과 비교하여 우리는 Janus 재료의 물리적 의미를 풍부하게 하고 차세대 전자 및 광전자 나노 장치.