本文通过第一性原理研究了GeC/WS2超晶格结构,利用密度泛函理论(DFT)和VASP软件包,详细分析了GeC和WS2单层材料的电子性质,并进一步探讨了GeC/WS2超晶格在六种不同堆叠方式下的原子结构和电子性质。计算结果显示六种堆叠结构均为II型能带排列的直接带隙半导体,带隙大小在0.55 eV到1.03 eV之间变化。这表明构建超晶格可以通过改变堆叠方式来调控超晶格的电子性质。此外,结合能和层间距的分析表明超晶格的物理稳定性与堆叠方式密切相关。这项研究不仅揭示了GeC/WS2超晶格在电子和光学性质调控方面的应用潜力,也为设计和制备具有特定功能的新型超晶格材料提供了理论基础。 In this paper, the GeC/WS2superlattice structure is investigated by first principles, and the electronic properties of GeC and WS2monolayers are analyzed in detail by using density-functional theory (DFT) and the VASP software package, and the atomic structure and electronic properties of the GeC/WS2superlattice are further explored in six different stacking modes. The computational results show that all six stacked structures are direct bandgap semiconductors with type II energy band arrangement, and the bandgap size varies from 0.55 eV to 1.03 eV. This suggests that constructing superlattices can modulate the electronic properties of superlattices by changing the stacking method. In addition, the analysis of binding energy and layer spacing indicates that the physical stability of the superlattice is closely related to the stacking mode. This study not only reveals the potential application of GeC/WS2superlattices in the modulation of electronic and optical properties, but also provides a theoretical basis for the design and preparation of novel superlattice materials with specific functions.
本文通过第一性原理研究了GeC/WS2超晶格结构,利用密度泛函理论(DFT)和VASP软件包,详细分析了GeC和WS2单层材料的电子性质,并进一步探讨了GeC/WS2超晶格在六种不同堆叠方式下的原子结构和电子性质。计算结果显示六种堆叠结构均为II型能带排列的直接带隙半导体,带隙大小在0.55 eV到1.03 eV之间变化。这表明构建超晶格可以通过改变堆叠方式来调控超晶格的电子性质。此外,结合能和层间距的分析表明超晶格的物理稳定性与堆叠方式密切相关。这项研究不仅揭示了GeC/WS2超晶格在电子和光学性质调控方面的应用潜力,也为设计和制备具有特定功能的新型超晶格材料提供了理论基础。
第一性原理,超晶格,堆叠方式,能带结构,态密度
Wenhai He
College of Science, University of Shanghai for Science and Technology, Shanghai
Received: Apr. 22nd, 2024; accepted: May 24th, 2024; published: May 31st, 2024
In this paper, the GeC/WS2superlattice structure is investigated by first principles, and the electronic properties of GeC and WS2monolayers are analyzed in detail by using density-functional theory (DFT) and the VASP software package, and the atomic structure and electronic properties of the GeC/WS2superlattice are further explored in six different stacking modes. The computational results show that all six stacked structures are direct bandgap semiconductors with type II energy band arrangement, and the bandgap size varies from 0.55 eV to 1.03 eV. This suggests that constructing superlattices can modulate the electronic properties of superlattices by changing the stacking method. In addition, the analysis of binding energy and layer spacing indicates that the physical stability of the superlattice is closely related to the stacking mode. This study not only reveals the potential application of GeC/WS2superlattices in the modulation of electronic and optical properties, but also provides a theoretical basis for the design and preparation of novel superlattice materials with specific functions.
Keywords:The First Principle Thinking, Superlattice, Stacking Method, Energy Band Structure, Density of States
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超晶格是一种由两种或多种不同材料周期性交替堆叠构成的复合结构,其层与层之间的厚度通常在纳米到微米范围 [
随着研究人员对超晶格的关注度增加,其制备方法也越来越多。例如,通过分子束外延(MBE)技术或者化学气相沉积法(CVD)制备超晶格 [
超晶格技术从理论提出到材料开发,再到功能性设备的实现。这一过程展示了半导体科技和纳米技术领域的快速进步和多学科融合的特点,显示了超晶格在现代材料科学中的重要地位和广阔的应用前景。本文将以单层GeC和WS2为基础构建GeC/WS2超晶格,利用基于密度泛函理论的第一性原理,计算并研究GeC/WS2超晶格六种堆叠方式的原子结构和电子性质。
本文通过使用基于密度泛函理论 [
在模拟计算时,我们使用广义梯度近似(GGA)和Perdew-Burke-Ernzerhof (PBE)交换关联函数(GGA-PBE)描述了交换相关效应 [
构建异质双层结构所需的结合能计算方法为:
E b = E G e C / W S 2 − ( E G e C + E W S 2 ) (3.1)
其中Eb为体系的结合能, E G e C / W S 2 为GeC/WS2超晶格的总能量,EGeC、 E W S 2 分别代表GeC、WS2超晶格的总能量。
图1. (a) GeC的原子结构图;(b) 单层WS2的原子结构图
单层碳化锗(GeC)为IVA族化合物,由Ge原子和C原子构成,锗碳比为1:1,其原子结构如图1(a)所示。我们对1 × 1 × 1的GeC进行了结构优化,优化后得到的晶格常数ɑ = b = 3.26 Å,碳原子与锗原子的键长为1.88 Å。通过模拟计算,1 × 1 × 1的GeC是一种带隙值为2.07 eV的直接带隙半导体,其中价带顶和导带底皆位于高对称K点,如图2(a)所示。作为过渡金属硫族化合物(TMDs)的典型例子,单层二硫化钨(WS2)的晶体结构由两层S原子和夹在中间的过渡金属W原子构成,其原子结构如图1(b)所示。为了后续的计算,我们对1 × 1 × 1的WS2进行了结构优化。优化后得到的晶格常数ɑ = b = 3.18 Å,W原子与S原子的键长为2.41 Å,S-W-S构成的键角为81.06˚,层厚度为3.14 Å。通过模拟计算发现,1 × 1 × 1的WS2是一种带隙值为1.81 eV的直接带隙半导体,其中价带顶(Valence Band Maximum)和导带底(Conduction Band minimum)皆处于高对称K点,如图2(b)所示。经计算后得到的数据与前人研究数据一致 [
图2. (a) GeC的能带结构图;(b) 单层WS2的能带结构图
图3. GeC/WS2超晶格的六种堆叠方式原子结构的侧视图和俯视图(a) AA-stacking;(b) AB-stacking;(c) AC-stacking;(d) AA'-stacking;(e) AB'-stacking;(f) AC'-stacking
单层WS2和GeC具有相同的六角结构,晶格常数分别为3.18 Å和3.26 Å,如图1所示。那么我们通过在垂直方向反复堆叠单层WS2和GeC材料,从而构建出GeC/WS2超晶格,其晶格失配率仅为2.28%,WS2和GeC材料比为1:1,如图3所示。根据原子对齐方式堆叠,我们得到六种不同的堆叠方式。其中图3(a) AA-stacking指在“z”方向上Ge原子和W原子对齐,C原子和S原子对齐;图3(b) AB-stacking指在“z”方向上Ge原子和W原子对齐,C原子和S原子分别对应WS2和GeC材料层的六角中心位;图3(c) AC-stacking指在“z”方向上C原子和S原子对齐,Ge原子和W原子分别对应WS2和GeC材料层的六角中心位;将AA-stacking、AB-stacking、AC-stacking以WS2材料层的六角中心位为圆心,绕“z”轴旋转60˚就可以得到图3(d) AA'-stacking、(e) AB'-stacking、(f) AC'-stacking。
我们对这六种堆叠方式进行了结构优化,优化后的晶格常数,Ge-C和W-S键长(dGe-C, dW-S),层间距h以及结合能Eb如表1所示。从表中数据上我们可以发现,经过优化后六种堆叠方式的晶格常数在3.215 Å和3.219 Å之间。相比单层GeC、WS2,1 × 1 × 1的GeC/WS2超晶格的GeC材料层被压缩了1.32%左右,WS2材料层被拉伸了1.16%左右。其中AB'-stacking堆叠方式的晶格常数(3.219 Å)最大,AC-stacking堆叠方式的晶格常数(3.215 Å)最小。六种堆叠方式的Ge-C键在1.857 Å左右,W-S键长在2.422 Å左右。与单层GeC和WS2相比,六种堆叠方式的Ge-C键长被压缩了1.22%左右,W-S键长被拉伸了0.50%左右。我们还计算了六种堆叠方式的结合能Eb,发现所有堆叠方式的结合能都较小,表明杂化体系存在弱相互作用。不同构型之间的差异也反映在超晶格的层间距h上,其中六种堆叠方式的层间距离范围为3.324 Å至3.736 Å。我们可以发现层间距离和结合能随堆积模型的不同而不同。其中最稳定的叠加模型层间距离最短,说明相邻两层之间存在较强的物理相互作用。从表1中可以看出,这些WS2/GeC超晶格中最稳定的模型是AB-stacking堆叠方式。
堆叠方式 | a = b (Å) | dGe-C(Å) | dW-S(Å) | h (Å) | Eb(eV) |
---|---|---|---|---|---|
AA-stacking | 3.215 | 1.856 | 2.422 | 3.683 | −0.589 |
AA'-stacking | 3.218 | 1.858 | 2.422 | 3.390 | −0.677 |
AB-stacking | 3.218 | 1.858 | 2.422 | 3.324 | −0.695 |
AB'-stacking | 3.219 | 1.858 | 2.421 | 3.456 | −0.650 |
AC-stacking | 3.215 | 1.856 | 2.422 | 3.736 | −0.575 |
AC'-stacking | 3.216 | 1.857 | 2.422 | 3.363 | −0.692 |
表1. 1 × 1 × 1的GeC/WS2超晶格的晶格常数(ɑ)、层间距(h)、键长(dGe-C, dW-S)以及结合能(Eb)
根据能带排列我们可以把能带分为I型(type-I)能带排列(价带顶和导带底由同一材料层贡献)和II型(type-II)能带特性(价带顶和导带底分别由不同材料层贡献) [
图4. GeC/WS2超晶格的六种堆叠方式的能带结构图(a) AA-stacking;(b) AB-stacking;(c) AC-stacking;(d) AA'-stacking;(e) AB'-stacking;(f) AC'-stacking
图5. GeC/WS2超晶格的六种堆叠方式的态密度(DOS)图(a) AA-stacking;(b) AB-stacking;(c) AC-stacking;(d) AA'-stacking;(e) AB'-stacking;(f) AC'-stacking
本文以单层GeC和WS2为基础构建GeC/WS2超晶格,并模拟计算了1 × 1 × 1 GeC、1 × 1 × 1 WS2、1 × 1 GeC/WS2超晶格的电子性质。对GeC/WS2超晶格的6种堆叠方式的结合能进行了计算,得到最稳定的模型为AB-stacking。GeC/WS2超晶格的六种堆叠结构的带隙值在至0.55 eV至1.03 eV之间。相比单层GeC和WS2,GeC/WS2超晶格带隙值减小,说明电子跃迁时所需要的能量减小,有利于电子–空穴对的产生,对开发新型光电子和热电材料极具意义。GeC/WS2超晶格的六种堆叠结构具有不同的能带结构,但均具有II型能带排列特性,说明可以通过改变堆叠方式的方法调节材料的电子性质,使得能够针对特定应用优化材料性能,并为未来超晶格材料的设计和应用提供了理论基础和指导。
何文海. 基于GeC和WS2超晶格的第一性原理研究First-Principles Study Based on GeC and WS2Superlattices[J]. 物理化学进展, 2024, 13(02): 309-316. https://doi.org/10.12677/japc.2024.132036
https://doi.org/10.1063/1.1654509
https://doi.org/10.1126/science.1072886
https://doi.org/10.1126/science.abb6830
https://doi.org/10.1021/nl0156888
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https://doi.org/10.1007/BF00892328
https://doi.org/10.1063/1.89273
https://doi.org/10.1063/1.120640
https://doi.org/10.1002/adma.19970090114
https://doi.org/10.1002/jcc.21057
https://doi.org/10.1063/1.1665298
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https://doi.org/10.1002/bio.4342
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