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西安理工大學理學院Li-Yong Chen等--通過摻雜和應變的協同效應調節石墨烯/MoS2異質結構的能帶排列、載流子遷移率和光吸收

鑒于石墨烯零帶隙的性質，在基于石墨烯的范德瓦爾斯( van der Waals，vdWs )異質結構( HS )中，I型能帶排列占主導地位。這極大地影響了其在光電器件（如太陽能電池）領域的應用。在這項工作中，我們使用第一原理計算產生了 II 型能帶排列，該排列可以通過 M 摻雜石墨烯/MoS (M@G/MoS, M = Pd, Ti) HS 中的小雙軸應變來控制。此外，我們發現，在小范圍的雙軸應變下，應變的引入可以通過控制M@G/MoS2 HSs的能帶排列來有效調節可見光吸收。此外，Pd@G/MoS和Ti@G/MoS HSs在-4%至4%的應變范圍內，鋸齒狀方向的空穴遷移率始終超過1000 cm²·V^-1·s^-1。我們的研究結果有利于擴大石墨烯的 vdWs HS 在光電領域的應用。

圖1. vdWs HSs的能帶排列：(a)具有跨帶隙的I型能帶排列; (b)具有交錯帶隙的II型能帶排列; (c)具有破碎帶隙的III型能帶排列; VBM和CBM分別表示價帶極大值和導帶極小值。

圖2. 幾何結構: (a)G/MoS₂; (b) Pd@G/MoS₂; (c) Ti@G/MoS₂ HSs。頂部和底部的面板對應于側視圖和頂部視圖。在(a)中，我們考慮了五個潛在的摻雜位點，即空穴位點（藍色圓圈）、S-和mo-頂部位點（黑色圓圈）和橋接位點（紅色圓圈）。

圖3. 通過AIMD模擬Pd@G/MoS₂和Ti@G/MoS₂ HSs的溫度和能量隨時間的變化。
左圖：(a) 300 K; (c) 400K; 右圖：(b) 300 K; (d) 400K。

圖4 . 投影能帶結構：(a) G/MoS₂ HS，( b ) Pd摻雜單層石墨烯，( c ) Ti摻雜單層石墨烯，( d ) Pd@G/MoS₂; ( e ) Ti@G/MoS₂ HS。費米能量在能量尺度上被設置為零。

圖5. 不同應變下平面雙軸應變和聲子色散下的示意圖：(a)Pd@G/MoS₂ ; (b) Ti@G/MoS₂ HSs。正應變和吸附應變分別對應于拉伸應變和壓縮應變。

圖6. 不同應變下Pd@G/MoS₂和Ti@G/MoS₂異質結的投影能帶結構。

圖7. 在不同應變條件下對帶結構進行帶排列：(a、b)摻雜vdWs HSs; (c) Pd@GL和Ti@GL的帶隙。

圖8. (a)未應變HSs; (b)應變Ti@G/MoS₂; (c) Pd@G/MoS₂ HSs的光吸收。

圖9. 不同應變水平下的Ti@G/MoS₂ HS的投影能帶結構（上面板）和躍遷偶極矩（下面板）。這里，Δ_1-n（n = 1-5）表示費米能級以下的第n個價帶與導電帶之間的電子躍遷。根據計算出的TDM振幅，與可見光吸收對應的可能的層間電子躍遷用箭頭突出顯示。

圖10. 300 K時，在應變條件下的載流子遷移率：(a,b) Pd@G/MoS₂; (c,d) Ti@G/MoS₂ HSs。這里，空穴和電子載流子分別對應于HS中摻雜的石墨烯層和MoS₂層。

圖11. 摻雜vd Ws HSs (左)的投影能帶結構和Pd@GL和Ti@GL (右)在不同層間距離下的能帶隙。

相關研究成果由西安理工大學理學院Li-Yong Chen等人于2024年發表在Surfaces and Interfaces (https://doi.org/10.1016/j.surfin.2024.104024 )上。原文：Modulating the band alignment, carrier mobility and optical absorption of graphene/MoS₂ heterostructure via synergistic effects of doping and strain

轉自《石墨烯研究》公眾號



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