WSSe二重層の電子的および光学的性質に関するひずみ工学

JanusWSSe二重層のバンド構造 I ₁ 、私 _2、 および私 ₃ 図3に示すように、が計算されます。3つの構成はすべて、純粋な二重層WS ₂ と同様の基本的な間接バンドギャップ構造を示します。 およびWSe ₂ 。価電子帯の最大値（VBM）はすべてΓにあります ポイント、伝導帯の最小値（CBM）は K にあります I のポイント ₁ 、および K の間に配置 およびΓ 両方の I のポイント ₂ および私 ₃ 。 I の間接バンドギャップ ₃ は約1.3eVと計算され、 I よりもわずかに大きくなります。 ₁ および私 ₂ そのバンドギャップは約1.0eVです。バンドギャップは、スクリーニングされたハイブリッドHSE06汎関数なしでは過小評価されていますが、バンド構造分布に大きな変化はないため、過小評価は、ひずみ変調下での電子特性の進化傾向に実質的に影響しません。

I のバンド構造 ₁ 、私 ₂ 、および I ₃ 、それぞれ、バンドギャップは青い矢印で示されています

ひずみ工学は、構造の対称性と層間相互作用を操作するための有望な方法であり、多くの魅力的な現象を引き起こす可能性があります。加えられたひずみによって変調されたWSSe二重層の電子構造を研究するために、図4a–rに示すように、エネルギーバンドが分析されます。 − 6〜− 2％の範囲の圧縮ひずみが適用されると、Γの元のVBM ポイントが K に変更されました I のポイント ₁ および私 ₃ 構成は、 I のバリエーションはほとんどありません。 ₂ 。 K の元のCBM ポイントがΓの間の位置に移動します および K 3つの構造すべてのポイント。 2％〜6％の範囲の引張ひずみが使用されると、VBMはΓのままになります。 CBMがすべてKポイントに配置されている間にポイントします。

a – r I のバンド構造 ₁ 、私 ₂ 、および I ₃ それぞれ-6％、-4％、-2％、2％、4％、6％の異なる株で。バンドギャップは緑色の破線の矢印で示され、赤い実線の矢印は P の主なバンド間遷移を示しています。 ₁ および P ₂ 、それぞれ

図5は、3つの構造のひずみ依存バンドギャップをまとめたものです。圧縮ひずみと引張ひずみに対するバンドギャップの応答は、応答性が等しくないだけでなく、加えられたひずみが増加するにつれて異なる勾配を持っていることが一目でわかります。バンドギャップは圧縮ひずみに対する感度が低くなりますが、引張ひずみが大きくなると劇的に減少します。圧縮ひずみが増加すると、両方の I のCBMが増加します。 ₁ および私 ₃ I のそれに対して、より高いエネルギーに高揚します ₂ がより低いエネルギーにシフトダウンされ、 I がわずかに減少します ₂ I の増加 ₁ および私 ₃ 間接バンドギャップで。引張ひずみが存在する場合、CBMは大幅に減少し、VBMは緩やかに上昇します。したがって、間接バンドギャップは目立った減少を示し、引張ひずみが6％に達すると急激に減少します。歪んだJanusWSSe単分子層のバンドギャップ[34]と比較すると、I ₁ のバンドギャップは およびI ₃ I ₂ のバンドギャップは、圧縮ひずみと引張ひずみの両方の変調で一般的に同様の変化を示します。 圧縮ひずみの下では反対の動作をします。

バンドギャップ（ E _g ）対 I に適用されたひずみ ₁ 、私 ₂ 、および I ₃ 構造

ひずみの存在下でのWSSe二重層の電子構造への洞察を得るために、図6に示すように、原子軌道の投影エネルギーバンドを調べます。その中心反転対称性（図1l）により、軌道 I の上層と下層の ₃ はエネルギー縮退であり、バンド構造に同じように寄与します。それどころか、 I の構造反転非対称性のため ₁ および私 ₂ 、上層と下層の軌道が分割されます。上記の結果は、縮退と構造対称性の間に正の相関関係があることを示唆しています。 I の中心反転対称性のため ₃ スタッキング、 I の上位層と下位層の軌道 ₃ はエネルギー縮退であり、ひずみの変化に関係なく、バンド構造に同じように寄与します。図6g–iに示すように、CBMとVBMはどちらも2つのWSSe層から等しく派生しています。それどころか、I ₁ の構造反転非対称性のため およびI ₂ 、図6a–cおよび図6d–fに示すように、2つの層の軌道が分割されます。オリジナルの I ₁ 構造は典型的なタイプIIヘテロ構造を示し、CBMとVBMはそれぞれWSSeJanusの下部層と上部層から寄与しています。バンドの位置合わせは、圧縮ひずみまたは引張ひずみのどちらでも変化しません（図6a–c）。 私は ₂ 圧縮ひずみの有無にかかわらず積み重ねると、CBMは2つの層の両方に由来し、VBMは上層に由来します（図6d、e）。 私 ₂ ヘテロ構造は引張ひずみ下でタイプIIバンド配列に変化し（図6f）、これは高性能光電気変換およびエネルギー貯蔵デバイスの開発の有望な見通しを示しています[35]。

I の原子軌道投影エネルギーバンド ₁ 、私 ₂ 、および I ₃ それぞれ-4％、0、および4％のひずみ下の構造。青と赤の色は、それぞれ上層と下層からの軌道の寄与を意味します

WSSe二重層のひずみ工学におけるスピン軌道相互作用（SOC）効果をさらに調査するために、図に示すように、ひずみの有無にかかわらず、SOCを考慮したバンド構造をさらに計算します。 7. 3つの構成すべてについて、VBMとCBMの運動量位置、バンドギャップ、およびバンド分布を含むバンド構造は、さまざまなひずみで同様の進化傾向を示すことがわかります。これは、ひずみ変調の規則性が依然として残っており、SOC効果が主な結論に明らかに影響を与えていないことを示唆しています。

a – i I のバンド構造 ₁ 、私 ₂ 、および I ₃ SOC効果を考慮して、-4％、0、および4％のひずみの下で、黒と吹き飛ばされた色は、それぞれアップスピンとダウンスピンを意味します。バンドギャップは赤い矢印で示されています

WSSe二重層の光学特性を変調することを目的として、外部の変化するひずみの下での誘電関数の応答が研究されています。図8は、複素誘電関数ε ^” を示しています。 _xx （ε ^” _yy ）およびε ^” _zz WSSe二重層と適用されたひずみの比較。 ε ^” _xx （ε ^” _yy ）は、引張ひずみの増加に伴って低エネルギーにシフトし、逆に、圧縮ひずみが適用されている間は高エネルギー領域にシフトすることがわかります。 I の双極子遷移がそれぞれ0.79、1.18、および1.15eVの歪みのないWSSe二重層と比較 ₁ 、私 ₂ 、および I ₃ 構造では、ひずみ変調は、近赤外線および中赤外線領域で0.24〜1.47 eVの広範囲の遷移エネルギーを取得できます。これにより、赤外線検出器や焦電検出器など、さまざまな検出器に幅広い可能性がもたらされる可能性があります。

計算された光誘電関数の虚数部ε ^” _xx （ε ^” _yy ）およびε ^” _zz I の場合 ₁ （ a 、 b ）、私 ₂ （ c 、 d ）、および I ₃ （ e 、 f ）WSSe二重層と適用されたひずみのそれぞれ

P とラベル付けされた誘電関数の虚数部の主なピーク ₁ および P ₂ 図8a、c、およびeでは、主要なバンド間遷移に割り当てることができます。これは、図8のピークエネルギーを図4のバンド間遷移のピークエネルギーに適合させることによって実現されます。-6〜6％の範囲のひずみが適用されると、 P のピークエネルギーが適用されます。 ₁ および P ₂ 最初に増加し、次に減少します。菌株に関係なく、両方の P ₁ および P ₂ ピークは1.3〜3.0 eVのエネルギー範囲で発生することがわかります。これは、可視から近赤外領域までの広いスペクトルで大幅に向上した応答を示します。広く分布しているピークは、有望な光電アプリケーションを備えたマルチバンドメタマテリアルエミッターの設計に適しているはずです。

ひずみ工学によるWSSe二重層の制御可能な異方性をさらに調査します。 ε ^” との比較 _xx （ε ^” _yy ）、ε ^” _zz 引張ひずみまたは圧縮ひずみに関係なく、わずかな変動を示します。これは、誘電関数の虚数部がひずみの増加に伴って異なる応答特性を持っているという事実を表しています。ひずみがない場合、ε ^” _xx （ε ^” _yy ）およびε ^” _zz すべての I に対してE ||ĉ変換優先度を持つ異方性です ₁ 、私 ₂ 、および I ₃ 構造。どちらの I ₁ または私 ₃ 、圧縮ひずみが適用されている間、双極子遷移の異方性は最初に強化され、次に弱められ、引張ひずみの異方性は常に強化されます。それにもかかわらず、 I の異方性 ₂ 引張ひずみの増加に伴って強化され、圧縮ひずみが導入されると弱くなります。双極子遷移の等方性は、圧縮ひずみが-6％〜-4％に増加し続けるときに発生します。ここで、E ||ĉとE⊥ĉの両方が等しい変形優先度を持っています。したがって、適切なひずみ変調を備えたWSSe二重層は、光学異方性から等方性への遷移をもたらします。励起子効果は通常、光吸収において重要な役割を果たすため[36、37]、誘電関数によって決定される双極子遷移の優先度は、エレクトロルミネッセンスプロセスを使用した潜在的なオプトエレクトロニクスアプリケーションで検討できます。

実証されているように、2H相を持ついくつかの典型的なTMDC単分子層は、単分子層のバンド構造に同じ六角形の格子と類似した特性を持っています[5、33、38、39]。したがって、MXY（ M などのこれらのTMDC材料から派生したJanus単層および二重層 =MoまたはW、 X / Y =S、Se、またはTe、および X ≠ Y ）、同様のバンド構造[8、32]、したがって同様の電子的および光学的特性、ならびにひずみ変調による進化傾向を有することが期待されます。したがって、主な計算結果は、2H-TMDCJanusマテリアルで一定の普遍性を持ちます。以前のレポートを確認すると、面外で曲げられたMoS ₂ の機械的特性 薄膜が明らかにされ[40]、TMDC化合物の電子的および光学的特性が研究され[22]、単分子層およびヤヌスヘテロ二層TMDCのエネルギーギャップが電界を制御することが実証されました[41]。これらの作品と比較して、2D Janus WSSe二重層のひずみ変調電子および光学特性における一連の革新的な結果を提供します。これにより、Janus材料の物理的意味が豊かになり、次世代の電子および光電子ナノデバイス。