二维SnS2材料电子结构和光电性质的研究

Two-dimensional (2D) SnS2 material has attracted intensive attention due to its unique properties, such as earth-abundance, nontoxicity and suitable band gap value. These extraordinary characteristics make 2D SnS2 become a new promising nanomaterial for high-efficiency and low-cost optoelectronic device applications. Compared with 2D transition-metal dichalcogenides, 2D SnS2 material exhibits some different optoelectronic properties. However, studies also indicate that monolayer and few-layer SnS2 nanomaterials have low optical absorption due to their characteristics of indirect-band gap, which affects the efficiency of 2D SnS2-based optoelectronic devices. To our knowledge, there are few theoretical studies on optoelectronic properties of 2D SnS2 material. Many basic mechanisms about the optoelectronic applications of 2D SnS2 material are not clear. Therefore, we will study the influences of impurity, strain and electric field on electronic structures, optical properties, carrier mobilities and electronic transports in the SnS2-based nanosheets, nanoribbons and heterostructures by means of first-principles methods. Through these theoretical studies, we will understand the related physical mechanisms from the atomic and electronic levels, and explore the effective solutions to improve optical absorption and carrier mobility of 2D SnS2 material. We also expect that the obtained theoretical results can be helpful to the related physical experiments and optoelectronic device applications.

二维SnS2材料由于具有自然界含量丰富的元素、无毒和合理带隙等优点，有望成为新一代高效、低成本的纳米光电子材料，因而受到人们的广泛关注。与二维过渡金属二硫化物相比，二维SnS2材料具有诸多不同的光电特性，但也存在着单层和多层SnS2纳米材料的间接带隙特征所引起的低光吸收等影响SnS2基高效光电器件性能的问题。据我们所知，目前关于二维SnS2纳米材料光电性质的理论研究还相对较少，物理机理的理解还比较缺乏。因此，本项目将运用第一性原理方法研究掺杂、应变和电场等因素对SnS2基纳米片、纳米带和异质结等体系的电子结构、光学性质、载流子迁移率和电子输运等性质的影响，从原子层次和电子结构方面理解调控二维SnS2材料电子结构和光电性质的物理机理，探索改进二维SnS2材料的光吸收和载流子迁移率等性质的有效途径。研究结果将为相关物理实验提供理论基础，对二维SnS2材料在光电器件中的应用具有重要的物理意义。

二维SnS2材料由于具有自然界含量丰富的元素、无毒和合理带隙等优点，有望成为新一代高效、低成本的纳米光电子材料，受到人们的广泛关注,但也存在着单层和多层SnS2纳米材料的间接带隙特征所引起的低光吸收等影响SnS2基高效光电器件性能问题,对该材料的电子结构和光电性质调控的物理机理还不清楚。本项目运用基于密度泛函理论的第一性原理方法研究掺杂、吸附、应变、电场及构建范德华异质结等方法对二维SnS2半导体材料电子结构、光学性质、载流子迁移率和电子输运等性质的影响。主要研究结果如下：NO2气体吸附对二维SnS2少层体系的电子结构和光电性质有明显的影响。理论预测了同价的Se元素取代S元素能有效调控二维SnS2半导体材料的带隙和光吸收。量子尺寸和边界态对SnS2纳米带的电子结构有明显的影响，带隙随着纳米带宽度增大而变小，其中扶手椅型的带隙保持间接半导体特性不变，而锯齿型则变成直接半导体。通过构建基于二维SnS2半导体范德华异质结的研究，显示层间堆垛方式、层间耦合和电场等因素均能有效调控能带结构、光学性质、载流子迁移率和电子输运等物理性质。特别地，也发现基于二维SnS2半导体材料可以形成特殊的type-III能带边对齐特征，如phosphorene/SnS2，GeSe/SnS2等，这显示该材料将可以应用在隧穿场效应管等器件。另外，在该项目的资助下，我们也研究了其它二维金属硫化物半导体范德华异质结的能带结构和光电性质，如证明二维MoS2/graphene/WX2 (X=S,Se)三层范德华异质结具有交错式type-II能带对齐和本征的狄拉克锥特性，且电子输运电流比MoS2/WX2双层异质结的高出两个量级。当对二维Graphene/BN/MX2异质结施加垂直方向的压力时，石墨烯的带隙被有效打开且最大可以实现0.83eV。因此，通过该项目的研究，理解物理机理，探索有效调控该类型半导体材料的能带结构、光学和电子输运等性质的有效途径，为相关物理实验和制备高效光电器件提供可靠的理论基础。