具有不同扭曲角度的h-BN/InSe异质结构的光电特性

《Computational and Theoretical Chemistry》：Optoelectronic properties of h-BN/InSe heterostructures with different twist angles

本文通过第一性原理计算和分子动力学模拟，系统研究了不同扭曲角度（0°-60°）和双轴应变（-6%到+6%）对h-BN/InSe异质结结构稳定性及光电性能的影响。结果表明，30°扭曲角度异质结最稳定，应变可调控带隙（间接带隙类型），特定角度在压缩应变下带隙类型转变为直接型。

　　

程莉|张俊|杨晓天|纪世培|刘云浩|王芳|刘宇怀

中国电子材料与系统国际联合研究中心，河南省电子材料与系统国际联合实验室，郑州大学电气与信息工程学院，中国河南省郑州市450001

摘要

近年来，调节范德华异质结构的光电特性已成为研究焦点。本研究利用第一性原理计算和分子动力学模拟探讨了扭转角度和双轴应变对h-BN/InSe异质结构稳定性、电子特性和光学特性的影响。研究了七种不同的扭转角度（0°；7.59°；13.9°；30°；46.1°；52.41°；60°）。结果表明，30°时的h-BN/InSe异质结构具有最高的稳定性。扭转角度不会改变带隙类型或带对齐方式，但会调整带隙大小。所有结构都保持间接带隙和I型带对齐。这些异质结构表现出强烈的紫外光吸收能力，其中0°结构的最大吸收系数在3.88 eV时达到8.45×10⁵ cm^?1。双轴应变在-6%到+6%的范围内会使带隙变化1.32 eV。压缩应变会增加带隙并诱导II型带对齐，而拉伸应变会减小带隙并保持I型带对齐。13.9°、30°和46.1°的异质结构在压缩作用下变为直接带隙，而其他角度则保持间接带隙。本研究为h-BN/InSe异质结构在光电器件中的应用提供了理论支持。

引言

二维（2D）材料的研究和发展始于石墨烯的发现[1]、[2]、[3]、[4]。由于其卓越的物理、化学、电子和光学特性[5]、[6]、[7]、[8]，这些新型材料已成为各个领域研究人员的关注焦点。除了石墨烯之外，原子级薄的晶体如硅烯[9]、锗烯[11]、六方氮化硼（h-BN）[12]、[13]、[14]、[15]、过渡金属硫族化合物（TMDs）[16]、[17]、过渡金属硼化物（MBenes）[18]、三硫化砷[19]、本征铁磁体（CrOX）[20]和黑磷（BP）[21]也属于具有类似石墨烯结构的二维材料。这些二维材料包括导体、半导体、超导体和绝缘体，具有多样的电学性质。然而，现有的二维材料仍面临实际挑战。例如，原始石墨烯缺乏带隙，限制了其在场效应晶体管中的应用[22]、[23]；而磷烯在暴露于空气中时稳定性不足，容易降解[24]、[25]。因此，需要探索具有高载流子迁移率和优异稳定性的新型二维半导体。在这些方法中，构建二维范德华异质结构（vdWH）是一种有效的调节材料特性的方法[1]。

h-BN是一种理想的二维材料，具有原子级平滑的表面、宽的带隙、高的热导率、低的热膨胀系数、优异的电绝缘性和强的化学惰性[27]、[28]、[29]。这些特性使得h-BN成为与其他二维材料构建异质结构的理想选择，有助于克服其他材料的局限性并赋予异质结构新的特性。InSe是二维半导体材料中的关键成员，具有超高的载流子迁移率、可通过层厚度调节的带隙以及高的弹性变形性能[27]、[31]。由h-BN和InSe组成的异质结构已成为二维材料研究中的一个重要领域。?olaji?等人展示了一种通过施加-6%到+6%范围内的均匀双轴应变来有效控制带隙的方法：在强拉伸应变下带隙几乎消失，而在压缩应变下带隙增加[32]。Sen R等人研究了InSe/h-BN范德华异质结构的稳定性，发现通过施加应变或电场可以广泛调节带隙的大小和类型[33]。然而，扭转角度对h-BN/InSe异质结构的光电特性的影响，以及不同扭转角度下应变对h-BN/InSe异质结构电子特性的影响尚未得到研究。

本研究采用密度泛函理论及广义梯度近似方法，研究了七种不同扭转角度下的h-BN/InSe异质结构的几何结构、稳定性、电子特性和光学特性，并通过施加-6%到6%范围内的应变来考察其电子特性的变化。

计算方法

本研究中的所有第一性原理计算均使用PWmat软件包[34]完成。采用了广义梯度近似（GGA）[35]和Perdew-Burke-Ernzerhof（PBE）[36]交换相关泛函。此外，还使用了Heyd-Scuseria-Ernzerhof（HSE06）杂化泛函进行电子结构分析[34]。

几何结构

为了研究h-BN/InSe异质结构，我们首先研究了h-BN和InSe单层的几何结构和电子特性。h-BN和InSe都属于P6₃/mmc空间群。h-BN和InSe单层的能带结构如图1所示。经过详细的晶格优化后，确定h-BN和InSe单层的晶格常数分别为2.49 ?和4.09 ?，与之前的计算结果一致[38]、[44]。

在构建

结论

本研究系统地研究了扭转角度对h-BN/InSe异质结构的几何结构、电子特性和光学特性的影响。分析内容包括结合能、AIMD模拟、能带结构、态密度、差分电荷密度和光学吸收系数。0°、7.59°、13.9°、30°、46.1°和60°扭转角度的h-BN/InSe异质结构均表现出优异的稳定性。

作者贡献声明

程莉：撰写——原始草稿、可视化、方法论、数据整理。张俊：撰写——审稿与编辑、方法论。杨晓天：撰写——审稿与编辑、方法论。纪世培：撰写——审稿与编辑、方法论。刘云浩：撰写——审稿与编辑、方法论。王芳：资金筹集、概念构思。刘宇怀：资金筹集、概念构思。

资助

本研究得到了[中国国家自然科学基金]（项目编号：62174148）、[国家重点研发计划]（项目编号：2022YFE0112000和2016YFE0118400）、[河南省国际联合研究重点计划]（项目编号：231111520300）、[宁波市“科技与创新2025”重大项目]（项目编号：2019B10129）以及[郑州市1125创新计划]（项目编号：ZZ2018-45）的支持。

未引用参考文献

[26]、[30]、[37]、[43]、[54]

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的可能影响本文工作的财务利益或个人关系。