Ingeniería de deformación en las propiedades electrónicas y ópticas de WSSe bicapa

Resultados y discusión

La monocapa Janus WSSe tiene una red hexagonal, donde la celda unitaria consiste en un átomo de W medio en su red de panal de abeja plana que se unió en tres coordenadas con los átomos S y Se de la superficie. La constante de celosía optimizada de WSSe es 3,23 Å con las longitudes de enlace W-S y W-Se de 2,42 y 2,53 Å, respectivamente, que están alineadas con los valores informados anteriormente [32]. Según la simetría estructural, se tienen en cuenta cinco configuraciones de apilamiento diferentes de la bicapa WSSe, que se marcan como AA, AA ', AB, AB' y A'B, respectivamente. Para cada apilamiento, se consideran tres órdenes diferentes de capas de calcógeno:S-Se-S-Se, Se-S-S-Se y S-Se-Se-S. Todas las configuraciones geométricas de equilibrio de la bicapa WSSe se muestran en la Fig. 1. Cada configuración está completamente relajada respectivamente para optimizar el espaciado entre capas.

Vistas superior y lateral de la configuración atómica de la bicapa WSSe. Las bolas violetas representan los átomos W, y las bolas amarillas y verdes representan los átomos S y Se, respectivamente

Para determinar la estabilidad estructural de la bicapa WSSe cuantitativamente, las energías de enlace E _b de todas las configuraciones geométricas anteriores se calculan a partir de la relación:

donde E _bicapa y E _WSSe son las energías totales de WSSe bicapa y monocapa, respectivamente.

Como se muestra en la Fig. 2, para todas las estructuras de apilamiento, las capas de calcógeno con el orden de S-Se-Se-S poseen la mayor energía de enlace, mientras que el orden inverso Se-S-S-Se tiene la menor energía de enlace. Además, se visualiza que AA ', AA' y AB son las configuraciones de apilamiento más estables de órdenes S-Se-Se-S, S-Se-S-Se y Se-SS-Se, con las energías de enlace de 0,322, 0,304 y 0,281 eV, respectivamente. Esto indica que la bicapa Janus WSSe prefiere formar un apilamiento AA ’simétrico bilateralmente con el orden del calcógeno S-Se-Se-S, que es diferente de la heteroestructura MoSSe / WSSe del apilamiento AB [33].

Energías de enlace de todas las configuraciones geométricas de equilibrio de la bicapa WSSe

Teniendo en cuenta las estructuras de apilamiento más estables mencionadas anteriormente para cada orden de calcógeno, se investigan en profundidad tanto las propiedades electrónicas como las ópticas. Por conveniencia, el apilamiento AA 'con estructura S-Se-S-Se, el apilamiento AB con estructura Se-SS-Se y el apilamiento AA' con estructura S-Se-Se-S se denominan I ₁ , yo ₂ y yo ₃ , respectivamente, en la siguiente discusión.

Estructuras de bandas de las bicapas Janus WSSe I ₁ , yo _2, y yo ₃ se calculan, como se muestra en la Fig. 3. Las tres configuraciones exhiben una estructura de banda prohibida indirecta fundamental, que es similar a la de la bicapa pura WS ₂ y WSe ₂ . Los máximos de la banda de valencia (VBM) se ubican en Γ punto, mientras que el mínimo de banda de conducción (CBM) que se ubica en K punto para I ₁ y situarse entre K y Γ puntos para ambos I ₂ y yo ₃ . La banda prohibida indirecta de I ₃ se calcula en aproximadamente 1,3 eV, un poco más grande que el de I ₁ y yo ₂ cuyas bandas prohibidas son de aproximadamente 1,0 eV. A pesar de que las bandas prohibidas se subestiman sin la función HSE06 híbrida seleccionada, las distribuciones de la estructura de la banda no tienen cambios significativos y, por lo tanto, la subestimación no influirá sustancialmente en la tendencia de evolución de las propiedades electrónicas bajo la modulación de tensión.

Estructuras de bandas de I ₁ , yo ₂ y yo ₃ , respectivamente, donde las bandas prohibidas se indican con flechas azules

La ingeniería de deformaciones es un método prometedor para manipular la simetría estructural y la interacción entre capas, lo que podría dar lugar a numerosos fenómenos encantadores. Para estudiar las estructuras electrónicas de las bicapas de WSSe moduladas por la deformación aplicada, se analizan las bandas de energía, como se ilustra en la Fig. 4a-r. Cuando se aplica una deformación por compresión que varía de - 6 a - 2%, el VBM original en Γ punto cambiado a K punto para I ₁ y yo ₃ configuraciones, mientras que muestra poca variedad para I ₂ . El CBM original en K el punto cambia a la posición entre Γ y K puntos para las tres estructuras. Una vez que se emplea la deformación por tracción en la región de 2% ~ 6%, el VBM permanece en Γ punto mientras el CBM se ubica en el punto K.

un - r Estructuras de bandas de I ₁ , yo ₂ y yo ₃ con diferentes cepas de - 6%, - 4%, - 2%, 2%, 4% y 6%, respectivamente. Los espacios entre bandas se indican con flechas verdes discontinuas, mientras que las flechas rojas sólidas representan las principales transiciones entre bandas de P ₁ y P ₂ , respectivamente

La Figura 5 resume la banda prohibida dependiente de la deformación para las tres estructuras. Es evidente de un vistazo que las respuestas de la banda prohibida a la deformación por compresión y la deformación por tracción no solo tienen una capacidad de respuesta desigual, sino también con diferentes gradientes a medida que aumenta la deformación aplicada. La banda prohibida es menos sensible a la tensión de compresión, mientras que disminuye drásticamente con las tensiones de tracción mejoradas. A medida que aumenta la deformación por compresión, el CBM de ambos I ₁ y yo ₃ se eleva a una energía superior, mientras que la de I ₂ se reduce a una energía más baja, lo que resulta en una ligera disminución de I ₂ y aumentar para I ₁ y yo ₃ en los bandgaps indirectos. En presencia de la deformación por tracción, el CBM disminuye enormemente mientras que el VBM se eleva suavemente. Por tanto, la banda prohibida indirecta presenta una notable disminución y disminuye bruscamente cuando la deformación por tracción alcanza el 6%. Comparado con el de la monocapa de Janus WSSe tensionada [34], los bandgaps de I ₁ y yo ₃ muestran una evolución generalmente similar con modulaciones de deformación tanto por compresión como por tracción, mientras que la banda prohibida de I ₂ se comporta de manera opuesta bajo las tensiones compresivas.

La banda prohibida ( E _g ) versus las cepas aplicadas para el I ₁ , yo ₂ y yo ₃ estructuras

Para obtener una idea de la estructura electrónica de la bicapa WSSe en presencia de las cepas, se estudia la banda de energía proyectada del orbital atómico, como se ve en la Fig. 6. Debido a su simetría de inversión central (Fig. 1l), los orbitales de las capas superior e inferior para I ₃ son energía degenerada, que hacen contribuciones idénticas a la estructura de la banda. Por el contrario, debido a la asimetría de inversión de estructura de I ₁ y yo ₂ , los orbitales de las capas superior e inferior están divididos. Los resultados anteriores sugieren que existe una correlación positiva entre la degeneración y la simetría estructural. Debido a la simetría de inversión central de I ₃ apilamiento, los orbitales de las capas superior e inferior para I ₃ son energía degenerada, que hacen contribuciones idénticas a la estructura de la banda independientemente de las variaciones de tensión. Como se muestra en la Fig. 6g – i, tanto el CBM como el VBM se derivan igualmente de las dos capas WSSe. Por el contrario, debido a la asimetría de inversión estructural de I ₁ y yo ₂ , los orbitales de las dos capas están divididos, como se muestra en la Fig. 6a-cy la Fig. 6d-f. El yo original ₁ La estructura exhibe una heteroestructura típica de tipo II, con CBM y VBM aportados desde las capas inferior y superior de WSSe Janus, respectivamente. La alineación de la banda no varía bajo las deformaciones por compresión o por tracción (Fig. 6a-c). En cuanto al yo ₂ apilando sin y con una deformación compresiva, el CBM proviene de ambas capas y el VBM se origina en la capa superior (Fig. 6d, e). El yo ₂ La heteroestructura cambia a una alineación de banda de tipo II bajo la deformación por tracción (Fig. 6f), lo que indica una perspectiva prometedora para el desarrollo de dispositivos de almacenamiento de energía y conversión optoeléctrica de alto rendimiento [35].

Bandas de energía proyectadas orbitales atómicas de I ₁ , yo ₂ y yo ₃ estructuras bajo las deformaciones de -4%, 0 y 4%, respectivamente. Los colores azul y rojo significan contribuciones orbitales de las capas superior e inferior, respectivamente

Para explorar más a fondo el efecto de acoplamiento de espín-órbita (SOC) en la ingeniería de deformaciones en la bicapa WSSe, las estructuras de bandas con la consideración de SOC se calculan adicionalmente sin y con las deformaciones de - 4% y 4%, como se muestra en la Fig. 7. Se encuentra que, para las tres configuraciones, las estructuras de banda, incluidas las posiciones de momento de VBM y CBM, los bandgaps y las distribuciones de banda, muestran una tendencia de evolución similar con las diferentes tensiones. Esto sugiere que la regularidad de la modulación de la deformación aún permanece, y el efecto SOC obviamente no influye en las conclusiones principales.

un - yo Estructuras de bandas de I ₁ , yo ₂ y yo ₃ bajo las tensiones de - 4%, 0 y 4% con la consideración del efecto SOC, donde los colores negro y soplado significan los giros hacia arriba y hacia abajo, respectivamente. Las bandas prohibidas se indican con flechas rojas

Con el objetivo de modular las propiedades ópticas de la bicapa WSSe, se estudia la respuesta de la función dieléctrica bajo tensión variable externa. La Figura 8 muestra la función dieléctrica compleja ε ^” _xx (ε ^” _yy ) y ε ^” _zz de la bicapa WSSe frente a la deformación aplicada. ε ^” _xx (ε ^” _yy ) se desplaza a energías más bajas con el aumento de la deformación por tracción y, por el contrario, se desplaza a la región de mayor energía mientras se aplica una deformación por compresión. En comparación con la bicapa WSSe sin tensión con la transición dipolar de 0,79, 1,18 y 1,15 eV, respectivamente para I ₁ , yo ₂ y yo ₃ estructuras, la modulación de deformación es capaz de obtener una energía de transición de amplio rango de 0,24 a 1,47 eV en el área del infrarrojo cercano y medio, lo que podría ofrecer amplias posibilidades para una variedad de detectores, por ejemplo, detector de infrarrojos y detector piroeléctrico.

Las partes imaginarias de la función dieléctrica óptica calculada ε ^” _xx (ε ^” _yy ) y ε ^” _zz para yo ₁ ( a , b ), yo ₂ ( c , d ) y yo ₃ ( e , f ) WSSe bicapa versus la tensión aplicada, respectivamente

Los picos principales en la parte imaginaria de la función dieléctrica etiquetados como P ₁ y P ₂ en la Fig. 8a, cye podrían asignarse a las principales transiciones entre bandas. Esto se logra ajustando las energías máximas de la Fig. 8 con las de las transiciones entre bandas de la Fig. 4. Cuando se aplica una deformación que varía de - 6% a 6%, las energías máximas de P ₁ y P ₂ aumentar primero y luego disminuir. Independientemente de las cepas, tanto la P ₁ y P ₂ Se encuentra que los picos tienen lugar en el rango de energía de 1,3 a 3,0 eV, que exhiben una gran respuesta mejorada en un amplio espectro desde el ultravioleta, visible hasta el área del infrarrojo cercano. Los picos ampliamente distribuidos deberían ser adecuados para el diseño de emisores de metamateriales multibanda con aplicaciones fotoeléctricas prometedoras.

Se investiga más a fondo la anisotropía controlable de la bicapa WSSe a través de la ingeniería de deformación. Comparado con el de ε ^” _xx (ε ^” _yy ), ε ^” _zz presenta una variación insignificante independientemente de la deformación por tracción o compresión. Esto pone de manifiesto el hecho de que la parte imaginaria de la función dieléctrica posee diferentes propiedades de respuesta con el aumento de la deformación. Sin la tensión, el ε ^” _xx (ε ^” _yy ) y ε ^” _zz son anisotropía con preferencia de transformación E || ĉ para todas las I ₁ , yo ₂ y yo ₃ estructuras. Para yo ₁ o yo ₃ , mientras se aplica una deformación por compresión, la anisotropía de la transición dipolar se mejora primero y luego se debilita y eso con la deformación por tracción siempre se mejora. Sin embargo, la anisotropía de I ₂ se mejora con el aumento de la tensión de tracción y se debilita una vez que se introduce una tensión de compresión. Se produce una isotropía de transición dipolar cuando la deformación por compresión continúa aumentando hasta - 6% ~ - 4%, donde tanto E || ĉ como E⊥ĉ poseen la misma preferencia de transformación. Por tanto, la bicapa WSSe con una modulación de deformación adecuada conducirá a una transición de anisotropía óptica a isotropía. Dado que el efecto excitónico generalmente juega un papel importante en la absorción óptica [36, 37], la preferencia de transición de dipolo determinada por la función dieléctrica puede explorarse para las aplicaciones optoelectrónicas potenciales con un proceso de electroluminiscencia.

Como se ha demostrado, algunas monocapas TMDC típicas con fase 2H tienen las mismas celosías hexagonales y caracteres similares en sus estructuras de bandas monocapa [5, 33, 38, 39]. Por lo tanto, la monocapa y la bicapa de Janus derivadas de estos materiales TMDC, como MXY ( M =Mo o W, X / Y =S, Se o Te y X ≠ Y ), se esperaría que poseyera estructuras de bandas similares [8, 32] y, por lo tanto, propiedades electrónicas y ópticas similares, así como una tendencia a la evolución con la modulación de deformación. Por tanto, los principales resultados del cálculo tendrán cierta universalidad en los materiales 2H-TMDC Janus. Repasando los informes anteriores, las propiedades mecánicas del MoS ₂ doblado fuera del plano Se han revelado películas delgadas [40], se han estudiado las propiedades electrónicas y ópticas de los compuestos de TMDC [22], y se ha demostrado que las brechas de energía de las TMDC monocapa y heterobicapa de Janus controlan el campo eléctrico [41]. Comparando con estos trabajos, proporcionamos una serie de resultados innovadores en propiedades electrónicas y ópticas moduladas por deformación de la bicapa 2D Janus WSSe, que enriquece la connotación física de los materiales Janus y proporciona una prometedora estrategia de control hacia la aplicación de tecnología electrónica y de última generación. nanodispositivos optoelectrónicos.