具有优异极化灵敏度和强光吸收特性的GaN/HfSn2N4异质结

《Micro and Nanostructures》：GaN/HfSn2N4 heterojunction with superior polarization sensitivity and strong optical absorption

第一性原理计算系统研究GaN/HfSn?N?异质结构的光电特性，揭示其间接带隙（0.63 eV）源于层间电场调控，带隙可调范围0.585-1.057 eV，光学吸收系数峰值达9.86×10? cm?1，极化灵敏度87.14%。

　　

崔振|齐子珠|刁卓|齐向峰|王萨克

西安工业大学自动化与信息工程学院，中国西安，710048

摘要

本研究利用第一性原理计算系统地探讨了GaN/HfSn₂N₄异质结构的结构稳定性以及其电子和光电性质。研究结果表明，单层GaN和HfSn₂N₄分别属于间接带隙和直接带隙半导体，其带隙值分别为1.73 eV和3.12 eV。相比之下，GaN/HfSn₂N₄异质结构表现出间接带隙特性，被归类为II型半导体带对齐。这种配置使得带隙宽度缩小至约0.63 eV，从而显著扩展了材料在更宽光谱范围内的光学响应。此外，II型带对齐促进了光生电子和空穴的有效空间分离。对功函数和平均电荷密度分布的分析表明，从GaN层向HfSn₂N₄层方向存在一个内建电场。界面电荷重分布导致界面处净电荷转移为0.0833 |e|，电位降为7.97 eV，进一步促进了载流子的定向迁移。GaN/HfSn₂N₄异质结构在可见光范围内表现出强烈的光吸收行为，其吸收系数峰值约为9.86 × 10⁵ cm^?1

引言

在快速发展的二维（2D）材料体系中，MA₂Z₄型层状材料作为近年来提出的一类新型2D化合物，因其独特的晶体结构和有前景的物理性质而受到越来越多的关注。这类材料通常由过渡金属元素M、主族或过渡金属元素A以及轻元素Z组成，化学式为MA₂Z₄ [[1], [2], [3]]。与传统2D材料不同，MA₂Z₄化合物具有独特的七原子层三明治结构，原子堆叠顺序为Z-A-Z-M-Z-A-Z，结晶为六方晶格。每层内部以强共价键为主，相邻层通过范德华相互作用连接，从而具备优异的结构稳定性和良好的剥离特性。先前的研究表明，大多数MA₂Z₄单层材料具有良好的动力学和热力学稳定性，表现为低形成能以及无虚模式的声子谱，表明其在实验上的可实现性。

GaN是一种代表性的III-V族宽带隙半导体，其稳定相采用纤锌矿晶体结构。在室温下，GaN的带隙约为3.4 eV，明显大于传统硅的带隙，这与Zhang等人的电子结构和基本性质报告一致[5]。Mishra等人研究了基于ZnO/GaN异质结的自供电紫外光电探测器，并系统分析了界面状态对紫外光响应的影响，表明界面工程在调节载流子传输和复合过程中起着关键作用，从而提升了器件性能[6]。Deng等人报道了一种由二维钙钛矿和MXenes异质结构成的柔性光电探测器阵列。通过简单的直接涂层技术，这种低成本且可扩展的制造方法能够有效调节异质界面处的肖特基势垒，缩短光响应衰减时间，并实现了44.9 mA W^?1的高响应度[7]。由于其宽带隙，GaN具有优异的高电场耐受性和热稳定性，而其高的电子饱和漂移速度为高速电子设备提供了显著优势[8,9]。

MA₂Z₄型层状氮化物是一类新发现且发展迅速的2D材料，由于其独特的原子结构和优异的物理化学性质而受到广泛关注。Wang等人首次构建了一种硫空位工程化的ZnIn₂S₄/TpPa-1 COF S-scheme异质结，在无催化剂的情况下实现了2745 μmol g^?1 h^?1的可见光驱动的氢演化速率。他们的理论和实验结果表明，硫空位可以放大界面内建电场并增强界面电荷转移，从而协同促进光生载流子的有效分离[10]。Bagherpour等人首次揭示了MA₂Z₄材料中存在的非传统屏蔽效应和长程库仑相互作用，导致强烈的激子效应和相关驱动的不稳定性。后续研究进一步表明，通过将MA₂Z₄材料与半导体结合构建范德华异质结构，可以通过界面电荷转移诱导内建电场，从而显著增强载流子分离和光电性能[11]。Zhang等人利用高通量筛选结合密度泛函理论（DFT）计算构建了156种Janus MSiGeZ₄化合物，并确定了T-TiSiGeN₄、T-ZrSiGeN₄和T-HfSiGeN₄作为在可见光照射下能够自发驱动氧演化反应的有希望的候选材料，强调了内建电场在增强电荷分离和空穴氧化能力中的关键作用[12]。在MA₂Z₄家族中，HfSn₂N₄最近被提出作为一种新型的2D层状氮化物，属于过渡金属氮化物类别。其晶体结构由N-Hf-N原子层夹在Sn–N层之间，形成稳定的六方对称性，并表现出优异的动力学和热力学稳定性[[13], [14], [15], [16]]。由于其层状结构、相对较高的载流子迁移率以及强的光吸收能力，HfSn₂N₄在纳米电子学和光电子学应用中具有巨大潜力。理论计算进一步表明，该材料在室温下具有低的有效载流子质量和各向异性的载流子传输特性，有利于高性能的通道传输[17]。此外，HfSn₂N₄在外部应变、电场和界面耦合作用下表现出很强的可调性，为其在异质结构构建、界面工程和光电探测器设计中提供了独特优势[18,19]。

GaN具有结构稳定性、相对较高的载流子迁移率和优异的热稳定性，而作为MA₂Z₄家族成员的HfSn₂N₄则表现出强的光吸收能力和可调的电子性质。两种材料之间的功函数和带边对齐差异有利于形成II型带对齐，这促进了光生电子和空穴的空间分离，并有助于建立稳定的内建电场。

二维异质结构在光电探测器、场效应晶体管、光伏器件和集成纳米电子系统中展现了显著的优势。通过原子级集成不同的2D材料或将2D材料与宽带隙半导体结合，异质结构可以同时利用带隙工程、载流子传输和光谱响应的互补性质[[20], [21], [22], [23]]。凭借其高度可调的带对齐、优异的界面兼容性和灵活的器件集成能力，2D异质结构为高灵敏度、低功耗和宽带宽的光电及电子器件提供了有效途径。因此，基于2D材料构建异质结构被广泛认为是推进下一代高性能光电器件和集成纳米系统的关键策略[24]。

计算细节

本研究中的所有计算均在第一性原理密度泛函理论（DFT）框架内进行，使用的是维也纳从头算模拟包（VASP）。交换相关效应采用广义梯度近似（GGA）和Perdew-Burke-Ernzerhof（PBE）泛函描述，而价电子与离子核之间的耦合则采用投影增强波（PAW）方法处理。平面波截止能量为500 eV

结构

在构建GaN/HfSn₂N₄异质结构之前，首先对单层GaN和单层HfSn₂N₄的几何结构进行了完全优化，以获得它们的最低能量本征基态配置和准确的晶格参数。这一过程有效减少了由晶格失配引起的非物理应变，同时确保了对每个单层的带结构、功函数和电荷分布的可靠描述。因此，它为后续研究提供了坚实且一致的基础

结论

基于DFT框架下的第一性原理计算，本研究系统地研究了GaN/HfSn₂N₄范德华异质结构。特别关注了其稳定性特征、电子结构、光学和机械性能以及光电性质。主要研究结果总结如下：

(1)

结构稳定性和电子结构：声子色散和AIMD模拟证实了该异质结构

CRediT作者贡献声明

崔振：撰写 – 审稿与编辑，撰写 – 原稿撰写，监督，软件使用。齐子珠：撰写 – 审稿与编辑，撰写 – 原稿撰写，数据管理。刁卓：撰写 – 审稿与编辑，撰写 – 原稿撰写。齐向峰：撰写 – 审稿与编辑。王萨克：撰写 – 审稿与编辑，监督，软件使用。

利益冲突声明

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致谢

本工作得到了国家自然科学基金（编号：62474140）和陕西省重点研发计划项目（编号：2024GX-YBXM-087）的资助。