研究背景

二维材料因其独特的电子、热和光电子特性而受到广泛的关注。然而，二维材料的光学带隙的大小影响它们在光电探测器件和太阳能电池中的应用。由密度泛函理论计算得出c2n的光学带隙为1.66 eV，MoS₂的光学带隙为1.67 eV，它们的价带大态(VBM)和导带小态(CBM)的电荷分布在空间上没有很好地分离，光电子和空穴的快速复合，导致吸光效率**降低。因此，利用层间的范德华相互作用力，将不同的二维材料堆叠在一起形成异质结构是克服这一弱点的一种可能方法。

研究成果

清华大学和中国工程物理研究院核物理与化学研究所的Zhaoyong Guan和Wenhui Duan等教授成功利用计算系统地研究了c2n /MoS₂范德华异质结的结构、电子和光学性质，计算结果表明，c2n /MoS₂范德华异质结具有良好的捕光性能。同时改变c2n /MoS₂异质结之间的垂直间距，可以**地调节调整c2n / MoS₂异质结的电子和光学性质。研究成果以“Tunable Structural,Electronic, and Optical Properties of Layered Two-Dimensional c2n and MoS₂vander Waals Heterostructure as Photovoltaic Material”为题发表在The Journal of Physical Chemistry C期刊上。

图文解读

图1 (a,b)优化后的c2n / MoS₂异质结的俯视图和侧视图。c) c2n /MoS₂异质结的能带结构和PDOS，红蓝点的大小分别代表c2n和MoS₂的比重。黑色线、红色线和蓝色线分别表示c2n/MoS₂异质结的总态密度和c2n和MoS₂的PDOS。（d e）c2n /MoS₂异质结的VBM和CBM的电荷密度。

图1是c2n /MoS₂优化后的几何结构，图1的a和b分别是c2n / MoS₂异质结的俯视图和侧视图，通过计算得出c2n与MoS₂层之间的平衡距离为3.345Å，其结合能E_b为−19.98 meV，这表明对c2n / MoS₂异质结的形成是有利的。图1的c是对c2n / MoS₂异质结的电子结构进行分析，得出其带隙为1.30eV，这与PBE-D3和范德瓦尔斯计算的结果是一致的。值得一说的是，c2n / MoS₂异质结的带隙比c2n和MoS₂都要小的多。c2n (1.66 eV) and MoS₂(1.67eV）。因此，c2n / MoS₂异质结在可见光照射下更容易从价带(VB)激发到导带(CB)。

图2 (a) c2n /MoS₂异质结的包括VBO和CBO的能带排列的示意图。(b,c)c2n单层和c2n /MoS₂异质结的光学吸收系数。α∥和α⊥分别代表平行于平面和垂直c2n层的光学吸收系数。

图2b在2.10 eV、2.39 eV、2.59 eV和2.90 eV处计算出四个吸收峰，其强度可达2.0 ×10 ⁵ cm -1，这些吸收峰源于c2n的VB和CB在不同能带跃迁。

图3（a、b、c和d）分别代表c2n /MoS₂异质结在不同垂直间距的电荷密度差异。蓝色和红色分别代表电荷的积累和消耗。（e）带隙能E gap和结合能E b随层间距的变化而变化。

在实验中，使用金刚石槽的应变装置可以**地控制范德华异质结的垂直间距。我们系统地研究了c2n / MoS₂范德华异质结中的应变效应。我们定义了垂直间距ϵ= d₀-d, d₀和d分别是c2n和MoS2的平衡及实际距离。随着c2n和MoS₂之间的层间距增加，结合能被发现缓慢上升，而带隙能缓慢下降。c2n层和MoS₂层之间相互作用的变化应该通过它们之间的电荷转移强度来反映，为了探究电荷转移过程，我们计算了c2n /MoS₂异质结的电荷密度差，如图3（a、b、c和d）。随着c2n和MoS₂之间层间距增大，电荷转移明显，层间距之间的相互作用也增强，这使c2n和MoS₂之间的结合能逐渐变大。随着垂直间距的增加，c2n的p_z轨道和MoS₂的d_z2轨道相互作用的增强，这使带隙单调减小。如图3e所示。

图4具有不同垂直间距c2n /MoS₂异质结的PDOS图。（垂直间距分别为-0.4、0、0.4、0.8、1.0和1.2Å）

垂直间距ϵ < 1.0 Å时，c2n/MoS₂异质结总是呈现ii型带隙，当间距ϵ＞1.2 Å时，只有c2n对CBM有贡献，同时c2n和MoS₂对VBM有贡献，这时就偏离ii型异质结。当间距ϵ＞1.90 Å时发现c2n /MoS₂异质结经历半导体到金属的过渡，这意味着该异质结具有可调的导电和输运特性。

图5具有不同垂直间距c2n / MoS₂异质结的吸收系数图。（垂直间距分别为-0.4、0、0.4、0.8、1.0和1.2Å）

我们测试了具有不同垂直间距c2n / MoS₂异质结的吸收系数，如图5所示。随着垂直间距的增加，α∥和α⊥被发现明显红移,符合上面讨论的带隙能量的降低，证明对红外和可见光有明显的光学吸收。垂直间距对光吸收的**调节意味着c2n/MoS₂异质结在光电探测器件和太阳能电池中的广泛应用。

小结

总之，计算系统地研究了c2n / MoS₂范德华异质结的结构、电子和光学性质。c2n /MoS₂异质结呈现**的ii型能带，直接带隙为1.3 eV，有利于光电子和空穴的**分离。计算结果表明，c2n / MoS₂范德华异质结具有良好的捕光性能。通过改变c2n的p_z轨道和MoS₂的d_z2轨道的相互作用，可以**地调整c2n / MoS₂异质结的电子和光学性质。c2n / MoS₂异质结具有中等的带隙、分离良好的光电子和空穴以及增强的可见光吸收，在太阳能电池中有很大的应用潜力。

文献链接

Zhaoyong Guan,Chao-Sheng Lian, Shuanglin Hu, Shuang Ni, Jia Li, Wenhui Duan

TunableStructural, Electronic, and Optical Properties of Layered Two-Dimensional c2n and MoS₂van der Waals Heterostructure as Photovoltaic Material

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