Heterostruktur GaTe/C₂N Rekayasa Regangan: Penyeberangan Band yang Dapat Disesuaikan, Penyerapan UV–Vis yang Ditingkatkan, dan Pemecahan Air Fotokatalitik
Abstrak
Monolayer GaTe dan C₂N yang baru disintesis menunjukkan karakteristik elektronik dan optik yang menarik. Dalam penelitian ini, kami menggunakan teori fungsi densitas dari prinsip pertama untuk menyelidiki perilaku struktural, elektronik, dan optik dari heterostruktur van der Waals (vdW) GaTe/C₂N. Heterostruktur ini adalah semikonduktor jarak energi tidak langsung dengan penyeberangan band tipe II yang mempromosikan pemisahan fotonkarir yang efisien. Serapannya dalam spektrum UV-visual melampaui monolayer konstituen, dan regangan vertikal dapat menyesuaikannya menjadi fotokatalis yang efektif untuk pemecahan air pada nilai pH tertentu. Kami juga memeriksa adsorpsi dan disosiasi air pada permukaan C₂N, mengungkapkan jalur yang energik menguntungkan untuk evolusi hidrogen. Regangan biaksial dalam bidang memodulasi jarak energi dan transisi antara semikonduktor, logam, dan berbagai jenis penyeberangan band. Temuan ini memposisikan heterostruktur GaTe/C₂N sebagai platform serbaguna untuk perangkat optoelektronik dan fotokatalitik generasi mendatang.
Latar Belakang
Sejak penemuan grafen, eksplorasi material dua dimensi (2D) telah berjalan cepat, didorong oleh properti elektronik, optik, dan mekanik uniknya. Dikalkogenida logam transisi, lembar madu golongan V, biner III-V, dan kalkogenida loga pasca-transisi (PTMCs) semuanya telah menunjukkan potensi dalam elektronika dan konversi energi. GaTe, sebuah PTMC, diproduksi melalui epitaksi balok molekular dan merupakan semikonduktor jarak energi tidak langsung dengan jarak energi yang dapat disesuaikan dengan regangan. C₂N, kristal poros 2D yang baru direalisasikan, adalah semikonduktor jarak energi langsung dengan pori seragam yang memfasilitasi pemisahan muatan. Namun, dalam bentuk monolayer, kedua bahan menderita rekombinasi karir yang cepat, membatasi efisiensi fotokatalitik dan fotovoltaik mereka. Menumpuk lapisan 2D yang berbeda menjadi heterostruktur vdW menawarkan jalan untuk merangka penyeberangan band, mengurangi rekombinasi, dan menciptakan fungsionalitas baru. Heterostruktur berbasis GaTe sebelumnya (misalnya, GaTe/InSe, GaTe/GaSe, GaTe/SnI) telah menunjukkan penyeberangan tipe II, perilaku hall spin kuantum, dan pembelahan Rashba. Demikian pula, hibrida semikonduktor/C₂N (g-C₃N₄/C₂N, MoS₂/C₂N, CdS/C₂N) telah meningkatkan aktivitas fotokatalitik melalui pemisahan muatan yang efisien.
Dalam penelitian ini, kami membangun heterostruktur vdW GaTe/C₂N dan, melalui perhitungan hibrid HSE06, mengeksplorasi properti struktural, elektronik, optik, dan fotokatalitiknya, termasuk perilaku yang bergantung pada regangan.
Metode
Perhitungan dari prinsip pertama dilakukan menggunakan VASP dengan potong gelombang datar 500 eV dan pseudopotensial PBE. Koreksi hibrid HSE06 diterapkan untuk prediksi jarak energi. Interaksi vdW ditangkap melalui DFT-D2 Grimme. Vakuum 25 Å sepanjang z menghindari interaksi antar lapisan. Pengambilan sampel zona Brillouin menggunakan jaring k 21×21×1 untuk PBE dan 11×11×1 untuk HSE06. Optimasi geometri hingga ke 10−5 eV dalam energi dan 0,01 eV/Å dalam gaya.
Hasil dan Pembahasan
Penaakulan Monolayer
Monolayer GaTe dan C₂N yang dioptimalkan (Fig. 1a,b) menunjukkan konstanta jaring 4,14 Å (GaTe) dan 8,26 Å (C₂N), dengan ikatan Ga–Te dan C–N sebesar 2,41 Å dan 1,34 Å, masing-masing. HSE06 memprediksi jarak energi tidak langsung sebesar 2,13 eV untuk GaTe dan 2,44 eV untuk C₂N, konsisten dengan laporan sebelumnya. Dispersi bandnya andal, membenarkan penggunaannya sebagai blok pembangun.
Konstruksi Heterostruktur
Menggabungkan supersel GaTe 2×2 dengan sel C₂N 1×1 menghasilkan ketidaksesuaian jaring minimal sebesar 0,48 %. Tumpukan simetri tinggi—α, β, γ—dievaluasi; γ sedikit paling stabil (energi ikatan −15,80 meV/Å2). Spektrum fonon menunjukkan semua mode positif, dan MD dari prinsip pertama mengonfirmasi stabilitas termal pada 300 K. Struktur band di seluruh tumpukan hampir identik; kami fokus pada konfigurasi γ.
Struktur Elektronik dan Penyeberangan Band
Heterostruktur γ memiliki jarak energi tidak langsung sebesar 1,38 eV. Kepadatan keadaan terproyeksi menunjukkan maksimum band valensi (VBM) didominasi oleh keadaan p Te/Ga, sementara minimum band konduksi (CBM) berasal dari keadaan p C/N. Kepadatan muatan yang diurai berdasarkan band mengonfirmasi pemisahan elektron–lubang: elektron melokal pada C₂N, lubang pada GaTe, membentuk penyeberangan tipe II dengan VBO = 1,03 eV dan CBO = 0,72 eV. Listrik terpadu bawaan (Ein) lebih menekan rekombinasi, meningkatkan kinerja optoelektronik.
Serapan Optik
Dibandingkan monolayer, heterostruktur menunjukkan serapan UV-visual yang jauh lebih kuat (Fig. 3), terutama antara 2,20 dan 4,71 eV, karena transisi transfer muatan antar lapisan. Respons lebar ini menguntungkan untuk detektor dan penapanan energi surya.
Rekayasa Regangan
Regangan vertikal (normal) mengubah jarak antar lapisan. Kompresi mengurangi jarak energi, sementara regangan tarik pertama meningkatkannya secara modest sebelum menyegerakan di sekitar Δd ≈ 0,8 Å. Penyeberangan tipe II bertahan di seluruh rentang, dan regangan tarik besar menggeser VBM di bawah potensi oksidasi O2/H2O, menjadikan sistem cocok untuk pemecahan air pada pH asam (misalnya, pH = 2).
Regangan biaksial dalam bidang (± 6 %) memodulasi jarak energi dan menginduksi transisi: urutan tidak langsung–langsung–tidak langsung (Ind–D–Ind) di sekitar −3 % dan −8 %, transisi semikonduktor-ke-logam pada −12 %, dan pergeseran penyeberangan band dari tipe II ke tipe I (ε ≥ +6 %) atau tipe III (ε ≤ −12 %). Transisi ini timbul dari sensivitas regangan yang berbeda dari GaTe dan C₂N, menawarkan platform yang dapat disesuaikan untuk aplikasi elektronik, optoelektronik, dan katalitik.
Pemecahan Air Fotokatalitik
Energi adsorpsi untuk H, OH, dan H2O pada permukaan C₂N adalah −1,03, −0,51, dan −0,56 eV, masing-masing, menunjukkan ikatan yang menguntungkan. Disosiasi air adalah endotermik (ΔE ≈ 1,48 eV), namun pembentukan dan pelepasan H2 selanjutnya hanya memerlukan 0,04 eV, memfasilitasi evolusi hidrogen. Gabungan dengan penyeberangan band yang diinduksi regangan, heterostruktur menawarkan jalan yang viable untuk produksi hidrogen fotokatalitik.
Kesimpulan
Perhitungan DFT hibrid mengungkapkan bahwa heterostruktur vdW GaTe/C₂N adalah semikonduktor jarak energi tidak langsung dengan penyeberangan tipe II, serapan UV-visual yang ditingkatkan, dan listrik terpadu bawaan yang menekan rekombinasi karir. Regangan tarik vertikal memungkinkan pemecahan air fotokatalitik dalam kondisi asam, sementara regangan dalam bidang menyesuaikan jarak energi dan penyeberangan, menginduksi transisi semikonduktor-logam dan jenis penyeberangan. Properti yang bergantung pada regangan ini memposisikan heterostruktur GaTe/C₂N sebagai calon yang menjanjikan untuk perangkat optoelektronik dan fotokatalitik multifungsi.
Singkatan
2D
Dua dimensi
CBM
Minimum band konduksi
CBO
Offset band konduksi
DFT
Teori fungsi densitas
HSE06
Hybrid Heyd-Scuseria-Ernzerhof
PBE
Perdew-Burke-Ernzerhof
PDOS
Kepadatan keadaan parsial
PTMCs
Kalkogenida loga pasca-transisi
VBM
Maksimum band valensi
VBO
Offset band valensi
vdW
van der Waals
Gambar
Tampilan atas dan sisi dari (a) monolayer GaTe dan (b) C₂N; (c)–(e) konfigurasi tumpukan α-, β-, dan γ- dari heterostruktur GaTe/C₂N.
(a) Struktur band dan DOS yang diproyeksi dari heterostruktur GaTe/C₂N tumpukan γ; (b) skematis penyeberangan band tipe II dengan potensi redoks air; (c)–(d) kepadatan muatan VBM dan CBM.
Spektrum serapan optik dari heterostruktur, monolayer, dan di bawah berbagai regangan vertikal dan dalam bidang. Penggabungan spektrum surya untuk referensi.
Efek regangan normal pada jarak energi, energi ikatan, dan posisi tepi band; perbandingan dengan potensi redoks air pada pH = 0 dan 2.
(a) Geometri adsorpsi H, OH, H2O; (b) interaksi atom hidrogen dan pembentukan H2 pada permukaan C₂N.
(a) Efek regangan biaksial dalam bidang pada jarak energi dan energi regangan; (b) evolusi posisi tepi band dan transisi antara penyeberangan tipe I, II, dan III.
