新型二维结构及其光电性能研究(2)
2.3 电学性质
为了探究二维三明治结构的电学性质,研究了其能带和电子态密度,如图5所示.从能带图可以明显的看出二维B-C-N结构为一直接带隙半导体,如图5a,且带隙宽度很小,约为0.24 eV.这个带隙宽度几乎与三层BN(111)表面双侧加氢带隙一致[6],但是小于三层金刚石(111)表面双侧加氢2.7 eV[7].由图5 b和图5 c的分波态密度可以明显的看出C-B和C-N原子之间均发生了轨道sp杂化,B原子和N原子分别与C原子形成新的键,B-C和N-C之间表现较明显的差异.从杂化的强度上可以看出,C-B之间的杂化强度要更强,峰值更高,与之前电子密度分析得到的结论是一致的.因此,在实验合成上,可以预知在金刚石基底上外延生长氮化硼,C-B键是最稳定的结构,也最可能出现在实际的生长过程中,这个结论与之前报道的实验[8]和理论[9]结果相吻合.
图5 二维B-C-N结构Fig.5 Two-dimensional B-C-N structure
2.4 光学性质
根据上述的电学研究发现,能带宽度0.24 eV是一典型的窄带隙半导体,将具有较好的光学吸收,因此我们计算二维三明治夹层结构的光学性质.从图6 a的光学吸收谱中可以明显的看出,二维三明治夹层结构的主要吸收峰主要集中在50~150 nm真空紫外光区域,且在100 nm波长出现最强的吸收峰值.
图6 二维三明治夹层结构Fig.6 Two-dimensional sandwich structure
同时,我们计算了二维三明治夹层结构的折射率n(ω)和消光系数k(ω),如图6 b所示.计算结果表明:三明治夹层结构的静态折射率n(ω=0)为1.47 eV,小于氮化硼材料的4.53 eV[10]和金刚石体材料的2.20 eV[4],这表明光在三明治夹层结构中的传播速度要大于体材料.折射率的振荡峰达到最大值1.55 eV,然后迅速下降到最小值0.5 eV,最后在 1 eV左右趋于稳定.最大的消光系数出现在11 eV和13 eV附近,在这些位置,声子会快速的被吸收.
3 结 论
通过第一性原理计算,系统研究了二维夹层三明治结构特征、电学和光学性质.结果表明:B-C-N原子之间形成较好的类sp3键合,动力学和热力学均表明结构的稳定性良好;B原子和N原子分别与C原子形成新的共价键,电负性的差异导致电子之间的电荷重新分布,C-B之间成键表现出更强的杂化特性.基于立方相氮化硼和金刚石材料所获得的薄层二维三明治结构具有良好的窄带隙电学特征,并且光的传播速度大于其在体材料中的传播速度,其在真空紫外区表现出明显的吸收特性.综上,二维三明治夹层结构有望应用于微型光电器件中,本工作为探索新型二维材料提供了理论思路,并为实验立方相金刚石氮化硼异质外延生长提供了理论参考.
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文章来源:《光学与光电技术》 网址: http://www.gxygdjs.cn/qikandaodu/2021/0710/624.html
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