First Principles Study of Tunable Electronic and Optical Properties of GaP/SiH van der Waals Heterostructure

doi:10.7503/cjcu20240410

Abstract

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

CLC Number:

O641

TrendMD:

GUO Xin, MA Yongqiang, BAO Aida, DENG Rui, QIN Li, ZHANG Wenqi, XU Houdun. First Principles Study of Tunable Electronic and Optical Properties of GaP/SiH van der Waals Heterostructure[J]. Chem. J. Chinese Universities, 2025, 46(2): 20240410.

Figures/Tables 9

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

References 34

1	Novoselov K. S.， Geim A. K.， Morozov S. V.， Jiang D.， Zhang Y.， Dubonos S. V.， Grigorieva I. V.， Firsov A. A.， Science， 2004， 306， 666—669
2	Ni M.， Leung M. K. H.， Leung D. Y. C.， Sumathy K.， Renewable Sustainable Energy Rev.， 2007， 11， 401—425
3	Chen S. S.， Takata T.， Domen K.， Nat. Rev. Mater.， 2017， 2， 17
4	Xu X.， Yang L.， Gao Q.， Jiang X.， Li D.， Cui B.， Liu D.， J. Phys. Chem. C， 2023， 127， 7878—7886
5	Zeng L.， Zhang S.， Yao L.， Bi Z.， Zhang Y.， Kang P.， Yan J.， Zhang Z.， Yun J.， Nanotechnology， 2022， 34， 065702
6	Luo Q.， Yin S.， Sun X.， Tang Y.， Feng Z.， Dai X.， Mater. Sci. Semicond. Process.， 2022， 152， 107103
7	Ren K.， Yu J.， Tang W.， J. Alloys Compd.， 2020， 812， 152049
8	Qiu J.， Fu H.， Xu Y.， Zhou Q.， Meng S.， Li H.， Chen L.， Wu K.， ACS Nano， 2015， 9， 11192—11199
9	Houssa M.， Scalise E.， Sankaran K.， Pourtois G.， Afanas’Ev V.， Stesmans A.， Appl. Phys. Lett.， 2011， 98， 22
10	Wei W.， Dai Y.， Huang B.， Jacob T.， PCCP， 2013， 15， 8789—8794
11	Liang J.， Dai X.， Song J.， Pu K.， Tang J.， Qin X.， Wang F.， Guo Y.， Zhao T.， Lei T.， Phys. E， 2023， 153， 115759
12	Lv L.， Ma X.， Lou W.， Zhang X.， Shen C.， Xia C.， Liu Y.， Phys. Status Solidi（B）， 2022， 259， 2100666
13	Khang N. D.， Nguyen C. Q.， Nguyen C. V.， Dalton Trans.， 2023， 52， 2080—2086
14	Yang Z.， Chen H.， Wu F.， Hou Y.， Qiao J.， Ma X.， Bai H.， Ma B.， Li J.， Int. J. Hydrogen Energy， 2022， 47， 31295—31308
15	Singh A. K.， Zhuang H. L.， Hennig R. G.， Phys. Rev. B， 2014， 89， 245431
16	Kurt H. H.， Tanrıverdi E.， J. Electron. Mater.， 2017， 46， 4024—4033
17	Hasenöhrl S.， Novák J.， Vávra I.， Šatka A.， J. Cryst. Growth， 2004， 272， 633—641
18	Nagarajan S.， Jussila H.， Lemettinen J.， Banerjee K.， Sopanen M.， Lipsanen H.， J. Phys. D： Appl. Phys.， 2013， 46， 165103
19	Li X.， Bao A.， Guo X.， Ye S.， Chen M.， Hou S.， Ma X.， Appl. Surf. Sci.， 2023， 618， 156544
20	Bahuguna B. P.， Saini L.， Sharma R. O.， Tiwari B.， Phys. E， 2018， 99， 236—243
21	Xie M.， Li Y.， Liu X.， Li X. A.， Appl. Surf. Sci.， 2022， 591， 153198
22	Wang J.， Wei X.， Xuan J.， Zhang Y.， Fan J.， Ni L.， Yang Y.， Liu J.， Tian Y.， Ma S.， CrystEngComm， 2023， 25， 2326—2338
23	Kresse G.， Furthmüller J.， Phys. Rev. B， 1996， 54， 11169—11186
24	Kresse G.， Hafner J.， Phys. Rev. B， 1994， 49， 14251—14269
25	Blöchl P. E.， Phys. Rev. B， 1994， 50， 17953—17979
26	Perdew J. P.， Burke K.， Ernzerhof M.， Phys. Rev. Lett.， 1996， 77， 3865
27	Monkhorst H. J.， Pack J. D.， Phys. Rev. B， 1976， 13， 5188—5192
28	Grimme S.， Antony J.， Ehrlich S.， Krieg H.， J. Chem. Phys.， 2010， 132， 154104
29	Heyd J.， Scuseria G. E.， Ernzerhof M.， J. Chem. Phys.， 2003， 118， 8207—8215
30	Han S.， Li Y.， Chai J.， Wang Z.， PCCP， 2020， 22， 8565—8571
31	Wang Q.， Zhu Q.， Cao L.， Fan L.， Gu F.， Zhang Y.， Zheng C.， Xiong S.， Xu L.， Coatings， 2024， 14， 263
32	Li J.， Huang Z.， Ke W.， Yu J.， Ren K.， Dong Z.， J. Alloys Compd.， 2021， 866， 158774
33	Han S.， Li Y.， Wang Z.， PCCP， 2020， 22， 17145—17151
34	Cui Y.， Peng L.， Sun L.， Qian Q.， Huang Y.， J. Mater. Chem. A， 2018， 6， 22768—22777

[1]	CHEN Junjie, ZHANG Ruidan, CHEN Yue. First-principles Study of Potential Applications of Monolayer GeTe in Lithium/sodium/potassium Ion Batteries [J]. Chem. J. Chinese Universities, 2024, 45(7): 20240148.
[2]	LI Yishan, GUO Liang, PENG Sifan, ZHANG Qingmao, ZHANG Yuhao, XU Shiqi. Cobalt Substitutions in Lanthanum Manganate Photocatalyst： First-principles and Visible-light Photocatalytic Ability Investigation [J]. Chem. J. Chinese Universities, 2021, 42(6): 1881.
[3]	WANG Yan, ZHANG Xiaochao, ZHAO Lijun, ZHAO Xiaoxia, SHI Baoping, FAN Caimei. First Principles Calculations on Electronic Structures and Optical Absorption Properties of Non-metal Doped BiOCl^† [J]. Chem. J. Chinese Universities, 2014, 35(12): 2624.
[4]	ZHOU Gang, DUAN Wen-Hui, GU Bing-Lin . Electronic Structure of Carbon Nanotube in the Growth [J]. Chem. J. Chinese Universities, 2001, 22(11): 1889.