GaP/SiH范德华异质结构的可调谐电子和光学特性的第一性原理研究

doi:10.7503/cjcu20240410

摘要/Abstract

摘要：

预测并构建了一种Ⅱ型的GaP/SiH异质结构，并对其结构特性、电子特性和光学特性进行了研究. 结果表明，该GaP/SiH异质结构属于典型的Ⅱ型范德华异质结构，展现出卓越的能量稳定性. GaP/SiH异质结构的带隙为2.24 eV， Ⅱ型能带结构的排列有效抑制了光生载流子的复合. 通过施加不同的双轴应变和垂直应变，可以对异质结的电子结构进行一定范围内的精确调控. GaP/SiH异质结构在可见光和紫外光区也表现出优异的光吸收性能，吸收率可达2.34×10⁶ cm^-1. GaP/SiH异质结构表现出的优异性能为光电子器件的设计提供了参考.

关键词: 第一性原理, GaP/SiH范德华异质结构, 光吸收

Abstract:

In this study， a type-II GaP/SiH heterostructure was predicted and constructed， with an in-depth investigation into its structural， electronic and optical properties. The research revealed that the GaP/SiH heterostructure was a typical van der Waals heterostructure， exhibiting excellent energy and thermodynamic stability. It had a bandgap of 2.24 eV， and the arrangement of the type-II band structure effectively suppressed the recombination of photogenerated charge carriers. Furthermore， it was found that the electronic structure of the heterojunction can be precisely modulated within a certain range by applying different biaxial and uniaxial strains. The GaP/SiH heterostructure also demonstrated excellent light absorption performance in the visible and ultraviolet regions， with an absorption coefficient reaching up to 2.34×10⁶ cm^-1. The outstanding performance exhibited by the GaP/SiH heterostructure provides a reference for the design of optoelectronic devices.

Key words: First principle, GaP/SiH van der Waals heterostructure, Optical absorption

中图分类号:

O641

TrendMD:

郭鑫, 马永强, 鲍爱达, 邓蕊, 秦丽, 张文琦, 徐厚敦. GaP/SiH范德华异质结构的可调谐电子和光学特性的第一性原理研究. 高等学校化学学报, 2025, 46(2): 20240410.

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图/表 9

Fig.1 Top⁃side views of the optimized atomic structures(A, C) and the corresponding electronic energy band structures(B, D) of GaP monolayer(A, B) and SiH monolayer(C, D)

Fig.2 Top and side views of H1(A), H2(B) and H3(C) stacked structures of GaP/SiH vdWH

Table 1 Calculated equilibrium lattice constants(a), interlayer distances(d)， binding energies(Eb) and band gap values(EgPBE, EgHSE06) for the initial GaP monolayer, the initial SiH monolayer and the three configurations

Structure	a/nm	d/nm	E_b/eV	E $g P B E$ /eV	E $g H S E 06$ /eV
GaP	0.389	—	—	1.72	2.68
SiH	0.388	—	—	2.17	2.93
H1	0.388	0.306	-0.10	—	—
H2	0.389	0.261	-0.13	—	—
H3	0.389	0.235	-0.15	1.30	2.24

Structure	a/nm	d/nm	E_b/eV	E $g P B E$ /eV	E $g H S E 06$ /eV
GaP	0.389	—	—	1.72	2.68
SiH	0.388	—	—	2.17	2.93
H1	0.388	0.306	-0.10	—	—
H2	0.389	0.261	-0.13	—	—
H3	0.389	0.235	-0.15	1.30	2.24

Fig.3 Binding energy varies of the H3 configuration with the interlayer distance

Fig.4 Electronic energy band dispersion(A) and density of states(DOS)(B) of GaP/SiH vdWH calculated using the HSE06 function

Fig.5 Planar mean electron density of GaP/SiH vdWH(A) and the electrostatic potential distributed along the z⁃axis of GaP/SiH vdWH(B), SiH monolayer(C) and GaP monolayer(D)（A） Inset indicates 3D differential electron density at an isosurface value of 6.12×10-2 e/nm3.

Fig.6 Band gap value and total energy of GaSe/ZnS vdWH under different conditions of biaxial strain(-8%—14%)(A) and interlayer spacing(0.155—0.355 nm)(B), the band structure of the GaSe/ZnS heterostructure under -6% strain condition(C) and layer spacing of 0.175 nm(D)

Fig.7 Optical absorption spectra of SiH monolayer, GaP monolayer and SiH/GaP vdWH

Fig.8 Variation of light absorption capacity of GaP/SiH vdWH under different conditions of biaxial strain(-6%—6%)(A) and vertical strain(0.175—0.295 nm)(B)

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