CN109346131A - 一种异质结器件模型的构建方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种异质结器件模型的构建方法，包括：选取碱金属M与硫族元素X构建反过渡金属硫族化物M₂X，碱金属M与硫族化合物X形成M‑X‑M三明治结构，再进行结构优化；选取步骤(1)优化后的M₂X结构，计算电子结构、电子迁移率、光吸收系数、价带顶与导带底的能级位置；选取M′X′₂，M′选自主族元素或过渡金属，X′选自主族元素，形成X′‑M′‑X′三明治结构，进行结构优化，并计算价带顶与导带低的能级位置与能隙；将M₂X与M′X′₂进行扩胞堆叠形成异质结器件模型。通过本发明提供的构建方法构建的异质结器件模型具有良好的光电子、空穴分离能力，为开发和制备高迁移率的电子器件与光电器件提供了研究方向。

Description

一种异质结器件模型的构建方法

技术领域

本发明属于低维器件技术领域，特别涉及一种异质结器件模型的构建方法。

背景技术

石墨烯是最薄、最坚硬、传导电子速度最快的单层碳原子构成的二维材料,已广泛用于制备高速器件、太阳电池的透明导电电极。进一步，利用几种单层或数层二维材料很容易进行纵向(或横向)堆叠，可形成前所未有的新材料，人们将这种结构称为范德瓦尔斯(vdW)异质结。石墨烯就具有很好的电学和热力学性质，使得其在透明导体、高迁移率场的效应晶体管上有很大的应用前景。虽然石墨烯在室温下有很高的迁移率(室温下，10⁵cm²V^{- 1}S^-1)，但是，它没有带隙，这使得它很难应用于晶体管或者光电器件等。利用石墨烯/氮化硼异质结，成功的解决了石墨烯零能隙而无法形成“0”、“1”双状态的短板，打开了石墨烯的能隙，并且由于超周期性，从而形成不同的摩尔条纹与次级狄拉克锥等奇特性质。

TMDCs是一种具有化学通式为MX₂的层状化合物，其中，M代表过渡金属原子，X代表硫族原子。与石墨烯相同，TMDCs具有层状结构，每一层也通过范德瓦耳斯力进行连接。每一个TMDC单层由三原子层组成，其中，过渡金属层在两个硫族原子层之间，形成三明治结构。TMDCs具备的其中一个独特性质就是能够形成不同的晶体多型。

二维过渡金属硫族化物(TMDCs)的发现给二维家族增添了不少光彩，同时也弥补了石墨烯具有零带隙缺陷，例如有带隙的2H-MoS2的场效应晶体管，相比于常用GaAs/AlGaAs晶体管，虽然非常有效地减薄了厚度，可以有效增加了器件集成度，但是其迁移率只有几百cm²V^-1S^-1，甚至要低于硅晶体管。同时，对于其他有带隙TMDCs的迁移率往往也是在几百cm²V^-1S^-1量级，媲美不了已经被广泛应用器件(室温～5000cm²V^-1S^-1)。后续二维材料工作又有反TMDCs结构的二维材料的探究(例如Ca₂N)，但是遗憾的是此类材料均发现是具有金属性零带隙。因此，为了增加器件集成度，同时又保留室温下的高迁移率，对于新型高迁移率、有带隙的二维材料的探索具有重大意义。

分子的结构决定其性质，在实际的实验过程中，很难预测到分子的稳定结构，需要借助计算化学，在自然情况下，分子主要以能量最低的形式存在，只有能量最低的构型才能具有代表性，其性质才能代表所研究体系的性质，但建模过程中所建立的模型不一定有最低的能量，所以首先需要进行分子构型优化，将所建立的模型优化到一个能量的极小点。可以通过模型构建的方式为二维材料及异质结的材料设计及开发提供方向。

发明内容

本发明的目的在于提供一种异质结器件模型的构建方法，通过本发明提供的构建方法构建的异质结器件模型具有良好的光电子、空穴分离能力，为开发和制备高迁移率的电子器件与光电器件提供了研究方向。

一种异质结器件模型的构建方法，包括以下步骤：

(1)选取碱金属M与硫族元素X构建反过渡金属硫族化物M₂X，碱金属M与硫族化合物X形成M-X-M三明治结构，再进行结构优化；

(2)选取步骤(1)优化后的M₂X结构，计算电子结构、电子迁移率、光吸收系数、价带顶与导带底的能级位置；

(3)选取M′X′₂，M′选自主族元素或过渡金属，X′选自主族元素，形成X′-M′-X′三明治结构，进行结构优化，并计算价带顶与导带低的能级位置与能隙；

(4)将步骤(1)中的M₂X与步骤(3)中的M′X′₂进行扩胞堆叠形成异质结器件模型。

在步骤(1)中，所述的碱金属M选自Na、K、Rb或Cs中的一种，硫族元素X选自O、S、Se或Te中的一种。

所述的反过渡金属硫族化物(反TMDCs)的结构为金属原子包覆阴离子，金属原子与阴离子元素比为2:1，形成金属-阴离子-金属三明治结构，与常规的过渡金属硫族化物金属与阴离子比1:2相反。碱金属及其化合物被广泛研究应用于各个领域，碱金属特点是电子容易电离形成+1价离子，而硫族阴离子特点是电负性比较强，容易得到电子形成-2价态的离子，将两者组成反TMDCs结构，为产生拥有带隙的二维新材料提供了方向。

在步骤(2)，优化后的M₂X结构的带隙为1～3eV、电子迁移率为19～18700cm²V^-1S^-1。

优选的，在步骤(1)中，构建的反过渡金属硫族化物M₂X的化学式为Na₂O、Na₂S、Na₂Se、Na₂Te、K₂S、Rb₂S或Rb₂Te。

上述元素构建的反过渡金属硫族化物，优化后的结构的带隙在可见光范围，光吸收系数大，两个方向电子迁移率均足够大。

在步骤(2)中，优化后的M₂X结构的带隙为1.9～3eV、电子迁移率为360～18700cm²V^-1S^-1。

在步骤(3)中，M′X′₂的电子亲和势较高，优化后的M₂X结构不仅具有高的光吸收系数，而且还具有高的导带底与价带顶能级，因此通过与较大的电子亲和势的M′X′₂就可形成第二类异质结，具有良好的光电子、空穴分离能力。

优选的，在步骤(3)中，所述的M′X′₂选自SnSe₂、SnS₂、PtS₂、PtSe₂或二维层状过渡金属硫族化物TMDCs中的一种。

上述M′X′₂与M₂X形成的第二类异质结具有更好的光电子、空穴分离能力。

本发明利用两类元素的优异性质，构建了具有可见光带隙和高电子迁移率的反过渡金属硫族化合物，弥补了反TMDCs结构的二维材料均为零带隙而拥有带隙的TMDCs的迁移率又不高的缺点；并与较大电子亲和势的材料可以容易地形成第二类异质结光电器件。本发明提供的构建方法构建的异质结器件模型具有良好的光电子、空穴分离能力，为开发和制备高迁移率的电子器件与光电器件提供了方向。

附图说明

图1为本发明提供的反TMDCs的M₂X的结构示意图；

图2为实施例1提供的Na₂O的能带结构；

图3为实施例2提供的Cs₂O的能带结构；

图4为实施例1和实施例2分别提供的的Na₂O与Cs₂O在可见光范围的吸收系数与硅的对比图；

图5为实施例1提供的M₂X与SnSe₂所形成的第二类异质结结构的俯视图；

图6为实施例1提供的M₂X与SnSe₂所形成的第二类异质结结构的侧视图；

图7为实施例1提供的Na₂O与SnSe₂所形成的第二类异质结的导带价带示意图；

图8为实施例2提供的Cs₂O与SnSe₂所形成的第二类异质结的导带价带示意图。

具体实施方式

以下结合附图及具体实施例进一步说明本发明。但是，应当理解为，这些实例仅仅是用于更详细具体地说明使用，而不应理解为用于以任何形式限制本发明。

实施例1

1)选取反TMDCs二维材料，M为Na元素，X为O元素，然后进行结构驰豫，并且进行晶格常数的拟合：取不同的a＝b晶格常数进行优化后的能量计算，拟合得到最佳晶格常数：(z方向为真空)；

2)在步骤1)优化后Na₂O二维材料进行自恰计算并且得到能带等信息，得到直接带隙，有效质量，迁移率，光吸收系数与导带价带位置；

3)选取一高电子亲和势材料SnSe₂，对其进行结构优化，并计算价带顶与导带低的能级位置与能隙，(z方向为真空 )，并计算价带顶与导带低的能级位置与能隙；

4)将步骤1)和3)的结构进行扩胞堆叠可形成异质结器件模型(使得晶格失配小于5％)。

在本实施例中，反TMDCs结构如图1所示，其中1为Na原子，2为O原子。

在步骤2)中进行单原子层Na₂O的电子结构计算及模拟时，得出如图2所示的能带图，其中M(0.5，0，0)、Γ(0,0,0)、K(1/3,1/3,0)分别表示第一布里渊区的高对称点，从图2中可以看出Na₂O是直接带隙半导体。

如图4所示，对Na₂O进行光学吸收系数计算，从图4中可以看出在可见光范围具有较大的而吸收系数，在有大部分可见光波段下，吸收系数将比实验上测得硅的光吸收系数要大，说明本实施例构建的Na₂O结构可以有效应用于第二类异质结器件模型的构建。

SnSe₂与Na₂O形成的异质结器件模型的结构示意图如图5和图6所示，其中1为Na原子，2为O原子，3为Sn原子，4为Se原子。

如图7所示，通过对比计算所得到的价带与导带位置，从图7中可以看出SnSe₂与Na₂O形成了第二类异质结器件模型，在界面处将发生能带弯曲，因为Na₂O的价带导带能级都高于SnSe₂，所以非光致情况下电子将由Na₂O转移给SnSe₂，电子和空穴将分别束缚在SnSe₂和Na₂O，如果是光致激发，将同样有效束缚，因此具有良好的光电子、空穴分离能力。

实施例2

1)选取反TMDCs二维材料，M为Cs元素，X为O元素，然后进行结构驰豫，并且进行晶格常数的拟合：取不同的a＝b晶格常数进行优化后的能量计算，拟合得到最佳晶格常数：(z方向为真空)；

2)在步骤1)优化后Cs₂O二维材料进行自恰计算并且得到能带等信息，得到直接带隙，有效质量，迁移率，光吸收系数，与导带价带位置；

3)选取高电子亲和势材料SnSe₂，对其进行结构优化，并计算价带顶与导带低的能级位置与能隙，(z方向为真空)，并计算价带顶与导带低的能级位置与能隙；

4)将步骤1)和3)的结构进行扩胞堆叠可形成异质结器件模型(使得晶格失配小于5％)。

在本实施例中，在步骤2)进行单原子层Cs₂O的电子结构计算及模拟时，得出如图3所示的能带图，其中M(0.5，0，0)、Γ(0,0,0)、K(1/3,1/3,0)分别表示第一布里渊区的高对称点，从图3中可以看出Cs₂O是间接带隙半导体。

如图5所示，对Cs₂O进行光学吸收系数计算，发现在可见光范围具有较大的光吸收系数，在有大部分可见光波段下，吸收系数将比实验上测得硅的光吸收系数要大，构建的Cs₂O结构可以有效应用于第二类异质结器件模型的构建。

如图8所示，通过对比计算所得到的价带与导带位置，SnSe₂与Cs₂O形成第二类异质结器件模型，在界面处将发生能带弯曲，因为Cs₂O的价带导带能级都高于SnSe₂，所以非光致情况下电子将由Cs₂O转移给SnSe₂，电子和空穴将分别束缚在SnSe₂和Cs₂O，如果是光致激发，将同样有效束缚，因此具有良好的光电子、空穴分离能力。

实施例3

如实施例1构建的反TMDCs，M为K元素，X为O元素，与SnSe₂形成第二类异质结器件模型。

实施例4

如实施例1构建的反TMDCs为Rb₂O，与SnSe₂形成第二类异质结器件模型。

实施例5-16

如实施例1构建的反TMDCs分别为Na₂S、K₂S、Rb₂S、Cs₂S、Na₂Se、K₂Se、Rb₂Se、Cs₂Se、Na₂Te、K₂Te、Rb₂Te、Cs₂Te，与SnSe₂形成第二类异质结器件模型。

表1-3分别为实施例1-16分别构建的M₂X的迁移率、有效质量与带隙。表1、2是通过模拟验证，计算得出的M₂X的导电粒子迁移率与有效质量。

表1实施例1-16提供的M₂X迁移率

表2实施例1-16提供的M₂X有效质量

表3实施例1-16提供的M₂X带隙

上述是对于本发明最佳实施例的详细表述，但是很显然，本发明技术领域的研究人员可以根据上述的步骤作出形式和内容方面非实质性的改变而不偏离本发明所实质保护的范围，因此，本发明不局限于上述具体的形式和细节。

Claims (7)

1.一种异质结器件模型的构建方法，包括以下步骤：

(1)选取碱金属M与硫族元素X构建反过渡金属硫族化物M₂X，碱金属M与硫族化合物X形成M-X-M三明治结构，再进行结构优化；

(2)选取步骤(1)优化后的M₂X结构，计算电子结构、电子迁移率、光吸收系数、价带顶与导带底的能级位置；

(3)选取M′X′₂，M′选自主族元素或过渡金属，X′选自主族元素，形成X′-M′-X′三明治结构，进行结构优化，并计算价带顶与导带低的能级位置与能隙；

(4)将步骤(1)中的M₂X与步骤(3)中的M′X′₂进行扩胞堆叠形成异质结器件模型。

2.根据权利要求1所述的异质结器件模型的构建方法，其特征在于，在步骤(1)中，所述的碱金属M选自Na、K、Rb或Cs中的一种，硫族元素X选自O、S、Se或Te中的一种。

3.根据权利要求2所述的异质结器件模型的构建方法，其特征在于，在步骤(2)，优化后的M₂X结构的带隙为1～3eV、电子迁移率为19～18700cm²V^-1S^-1。

4.根据权利要求1所述的异质结器件模型的构建方法，其特征在于，在步骤(1)中，构建的反过渡金属硫族化物M₂X的化学式为Na₂O、Na₂S、Na₂Se、Na₂Te、K₂S、Rb₂S或Rb₂Te。

5.根据权利要求4所述的异质结器件模型的构建方法，其特征在于，在步骤(2)中，优化后的M₂X结构的带隙为1.9～3eV、电子迁移率为360～18700cm²V^-1S^-1。

6.根据权利要求1所述的异质结器件模型的构建方法，其特征在于，在步骤(3)中，所述的M′X′₂选自SnSe₂、SnS₂、PtS₂、PtSe₂或二维层状过渡金属硫族化物TMDCs中的一种。

7.根据权利要求1所述的异质结器件模型的构建方法，其特征在于，所述的M₂X与M′X′₂进行扩胞堆叠形成第二类异质结器件模型，所述的M′X′₂的电子亲和势与功函数分别大于M₂X的电子亲和势和功函数。