Rekayasa Regangan pada Sifat Elektronik dan Optik WSSe Bilayer

Hasil dan Diskusi

Monolayer Janus WSSe memiliki kisi heksagonal, di mana sel satuan terdiri dari atom W tengah dalam kisi sarang lebah planarnya yang terikat tiga secara koordinatif dengan atom S dan Se permukaan. Konstanta kisi WSSe yang dioptimalkan adalah 3,23 dengan panjang ikatan WS dan W-Se masing-masing 2,42 dan 2,53 , yang selaras dengan nilai yang dilaporkan sebelumnya [32]. Menurut simetri struktural, lima konfigurasi susun yang berbeda dari bilayer WSSe diperhitungkan, yang ditandai sebagai AA, AA’, AB, AB’, dan A’B, masing-masing. Untuk setiap susun, tiga urutan lapisan kalkogen yang berbeda:S-Se-S-Se, Se-S-S-Se, dan S-Se-Se-S dipertimbangkan. Semua konfigurasi geometrik ekuilibrium bilayer WSSe digambarkan pada Gambar. 1. Masing-masing konfigurasi direlaksasi sepenuhnya untuk mengoptimalkan jarak antarlapisan.

Tampilan atas dan samping konfigurasi atom bilayer WSSe. Bola ungu mewakili atom W, dan bola kuning dan hijau masing-masing mewakili atom S dan Se

Untuk menentukan stabilitas struktural bilayer WSSe secara kuantitatif, energi ikat E _b dari semua konfigurasi geometris di atas dihitung dari relasi:

dimana E _{dua lapis} dan E _WSSe adalah energi total WSSe bilayer dan monolayer, masing-masing.

Seperti ditunjukkan pada Gambar. 2, untuk semua struktur susun, lapisan kalkogen dengan orde S-Se-Se-S memiliki energi ikat terbesar, sedangkan urutan terbalik Se-S-S-Se memiliki energi ikat terkecil. Selain itu, divisualisasikan bahwa AA', AA', dan AB adalah konfigurasi susunan paling stabil dari ordo S-Se-Se-S, S-Se-S-Se, dan Se-SS-Se, dengan energi ikat masing-masing sebesar 0,322, 0,304, dan 0,281 eV. Hal ini menunjukkan bahwa bilayer Janus WSSe lebih memilih untuk membentuk susunan AA’ yang simetris bilateral dengan ordo kalkogen S-Se-Se-S, yang berbeda dengan heterostruktur MoSSe/WSSe pada susunan AB [33].

Energi ikat dari semua konfigurasi geometrik kesetimbangan bilayer WSSe

Mempertimbangkan struktur susun paling stabil yang disebutkan di atas untuk setiap ordo kalkogen, baik sifat elektronik maupun optik diselidiki secara mendalam. Untuk memudahkan, susunan AA' dengan struktur S-Se-S-Se, susunan AB dengan struktur Se-SS-Se, dan susunan AA' dengan struktur S-Se-Se-S dinamai I ₁ , Aku ₂ , dan Aku ₃ , masing-masing, dalam diskusi berikut.

Struktur pita bilayer Janus WSSe I ₁ , Aku _2, dan Aku ₃ dihitung, seperti yang ditunjukkan pada Gambar. 3. Ketiga konfigurasi menunjukkan struktur celah pita tidak langsung yang mendasar, yang mirip dengan WS bilayer murni₂ dan WSe₂ . Pita valensi maksimum (VBM) semuanya terletak di Γ titik, sedangkan pita konduksi minimum (CBM) terletak di K poin untuk Aku ₁ , dan berada di antara K dan Γ poin untuk keduanya I ₂ dan Aku ₃ . Celah pita tidak langsung dari I ₃ dihitung kira-kira 1,3 eV, sedikit lebih besar dari I ₁ dan Aku ₂ yang celah pitanya kira-kira 1,0 eV. Meskipun celah pita diremehkan tanpa fungsional HSE06 hibrida yang disaring, distribusi struktur pita tidak memiliki perubahan signifikan, dan dengan demikian, perkiraan yang terlalu rendah tidak akan secara substansial mempengaruhi kecenderungan evolusi sifat elektronik di bawah modulasi regangan.

Struktur pita I ₁ , Aku ₂ , dan Aku ₃ , masing-masing, di mana celah pita dilambangkan dengan panah biru

Rekayasa regangan adalah metode yang menjanjikan untuk memanipulasi simetri struktural dan interaksi antar lapisan, yang dapat memunculkan banyak fenomena menawan. Untuk mempelajari struktur elektronik bilayer WSSe yang dimodulasi oleh regangan yang diterapkan, pita energi dianalisis, seperti yang diilustrasikan pada Gambar. 4a–r. Ketika regangan tekan mulai dari 6 hingga 2% diterapkan, VBM asli di Γ titik diubah menjadi K poin untuk Aku ₁ dan Aku ₃ konfigurasi, sementara menunjukkan sedikit variasi untuk I ₂ . CBM asli di K titik bergeser ke posisi antara Γ dan K poin untuk ketiga struktur. Setelah regangan tarik di wilayah 2%~6% digunakan, VBM tetap di Γ titik sementara CBM semuanya berada di titik K.

a –r Struktur pita I ₁ , Aku ₂ , dan Aku ₃ dengan strain yang berbeda dari 6%, 4%, 2%, 2%, 4%, dan 6%, masing-masing. Celah pita dilambangkan dengan panah hijau putus-putus, sedangkan panah merah solid menggambarkan transisi antar pita utama P ₁ dan P ₂ , masing-masing

Gambar 5 merangkum celah pita yang bergantung pada regangan untuk tiga struktur. Sekilas terlihat bahwa respons celah pita terhadap regangan tekan dan regangan tarik tidak hanya dengan responsivitas yang tidak sama tetapi juga dengan gradien yang berbeda seiring dengan peningkatan regangan yang diterapkan. Celah pita kurang sensitif terhadap regangan tekan, sementara secara dramatis menurun dengan regangan tarik yang ditingkatkan. Saat regangan tekan meningkat, CBM dari keduanya I ₁ dan Aku ₃ diangkat ke energi yang lebih tinggi, sedangkan I ₂ diturunkan ke energi yang lebih rendah, menghasilkan sedikit penurunan untuk I ₂ dan meningkat untuk I ₁ dan Aku ₃ dalam celah pita tidak langsung. Di hadapan regangan tarik, CBM sangat menurun sementara VBM naik dengan lembut. Celah pita tidak langsung dengan demikian menunjukkan pengurangan yang mencolok dan menurun tajam ketika regangan tarik mencapai 6%. Dibandingkan dengan monolayer Janus WSSe yang tegang [34], celah pita dari I₁ dan saya₃ menunjukkan evolusi yang secara umum serupa dengan modulasi regangan tekan dan tarik, sedangkan celah pita I₂ berperilaku berlawanan di bawah regangan tekan.

Celah pita (E _g ) versus strain yang diterapkan untuk I ₁ , Aku ₂ , dan Aku ₃ struktur

Untuk mendapatkan wawasan tentang struktur elektronik bilayer WSSe dengan adanya regangan, pita energi yang diproyeksikan orbital atom dipelajari, seperti yang terlihat pada Gambar 6. Karena simetri inversi pusatnya (Gbr. 1l), orbital dari lapisan atas dan bawah untuk I ₃ adalah energi yang terdegenerasi, yang memberikan kontribusi identik pada struktur pita. Sebaliknya, karena asimetri inversi struktur I ₁ dan Aku ₂ , orbital lapisan atas dan bawah terbagi. Hasil di atas menunjukkan bahwa ada korelasi positif antara degenerasi dan simetri struktural. Karena simetri inversi pusat I ₃ susun, orbital lapisan atas dan bawah untuk I ₃ adalah energi yang terdegenerasi, yang memberikan kontribusi identik pada struktur pita terlepas dari regangan yang bervariasi. Seperti digambarkan pada Gambar. 6g-i, baik CBM dan VBM sama-sama berasal dari dua lapisan WSSe. Sebaliknya, karena asimetri inversi struktural dari I₁ dan saya₂ , orbital dari dua lapisan terbelah, seperti ditunjukkan pada Gambar 6a-c dan Gambar 6d-f. I . yang asli ₁ struktur menunjukkan heterostruktur tipe-II yang khas, dengan CBM dan VBM masing-masing disumbangkan dari lapisan WSSe Janus bawah dan atas. Penjajaran pita tidak bervariasi baik di bawah regangan tekan atau tarik (Gbr. 6a-c). Adapun I ₂ susun tanpa dan dengan regangan tekan, CBM berasal dari kedua lapisan, dan VBM berasal dari lapisan atas (Gbr. 6d, e). Aku ₂ heterostruktur berubah menjadi penyelarasan pita tipe-II di bawah regangan tarik (Gbr. 6f), yang menunjukkan prospek yang menjanjikan untuk mengembangkan konversi optoelektrik berkinerja tinggi dan perangkat penyimpanan energi [35].

Pita energi proyeksi orbital atom I ₁ , Aku ₂ , dan Aku ₃ struktur di bawah strain 4%, 0, dan 4%, masing-masing. Warna biru dan merah berarti kontribusi orbit dari lapisan atas dan bawah, masing-masing

Untuk mengeksplorasi lebih lanjut efek spin-orbit coupling (SOC) dalam rekayasa regangan di bilayer WSSe, struktur pita dengan pertimbangan SOC dihitung lebih lanjut tanpa dan dengan regangan 4% dan 4%, seperti yang ditunjukkan pada Gambar. 7. Ditemukan bahwa, untuk ketiga konfigurasi, struktur pita termasuk posisi momentum VBM dan CBM, celah pita, dan distribusi pita menunjukkan kecenderungan evolusi yang serupa dengan regangan yang bervariasi. Ini menunjukkan bahwa keteraturan modulasi regangan masih tetap ada, dan efek SOC tidak jelas mempengaruhi kesimpulan utama.

a –i Struktur pita I ₁ , Aku ₂ , dan Aku ₃ di bawah strain 4%, 0, dan 4% dengan pertimbangan efek SOC, di mana warna hitam dan tiup berarti masing-masing berputar ke atas dan ke bawah. Celah pita dilambangkan dengan panah merah

Dengan tujuan untuk memodulasi sifat optik dari bilayer WSSe, respon dari fungsi dielektrik di bawah regangan eksternal yang bervariasi dipelajari. Gambar 8 menampilkan fungsi dielektrik yang kompleks ^” _xx (ε ^” _yy ) dan ^” _zz dari bilayer WSSe versus regangan yang diterapkan. ^” _xx (ε ^” _yy ) ditemukan bergeser ke energi yang lebih rendah dengan meningkatnya regangan tarik, dan sebaliknya, bergeser ke wilayah energi yang lebih tinggi saat regangan tekan diterapkan. Dibandingkan dengan bilayer WSSe tak teregang dengan transisi dipol masing-masing 0,79, 1,18, dan 1,15 eV untuk I ₁ , Aku ₂ , dan Aku ₃ struktur, modulasi regangan dapat memperoleh energi transisi rentang lebar dari 0,24 hingga 1,47 eV di daerah inframerah-dekat dan inframerah-tengah, yang dapat menawarkan kemungkinan luas untuk berbagai macam detektor, misalnya, detektor inframerah dan detektor piroelektrik.

Bagian imajiner dari fungsi dielektrik optik terhitung ε ^” _xx (ε ^” _yy ) dan ^” _zz untuk Aku ₁ (a , b ), Aku ₂ (c , d ), dan Saya ₃ (e , f ) Bilayer WSSe versus regangan yang diterapkan, masing-masing

Puncak utama di bagian imajiner dari fungsi dielektrik berlabel P ₁ dan P ₂ pada Gambar. 8a, c, dan e dapat ditetapkan untuk transisi interband utama. Hal ini dicapai dengan menyesuaikan energi puncak pada Gambar. 8 dengan transisi antar pita pada Gambar. 4. Ketika regangan mulai dari 6 hingga 6% diterapkan, energi puncak P ₁ dan P ₂ meningkat terlebih dahulu kemudian menurun. Terlepas dari ketegangannya, baik P ₁ dan P ₂ puncak ditemukan terjadi dalam kisaran energi 1,3-3,0 eV, yang menunjukkan respon yang ditingkatkan besar dalam spektrum yang luas dari ultraviolet, terlihat ke daerah dekat-inframerah. Puncak yang didistribusikan secara luas harus sesuai untuk desain emitor metamaterial multiband dengan aplikasi fotolistrik yang menjanjikan.

Anisotropi yang dapat dikontrol dari bilayer WSSe melalui rekayasa regangan diselidiki lebih lanjut. Dibandingkan dengan ^” _xx (ε ^” _yy ), ^” _zz menunjukkan variasi yang tidak signifikan terlepas dari regangan tarik atau tekan. Ini memanifestasikan fakta bahwa bagian imajiner dari fungsi dielektrik memiliki sifat respons yang berbeda dengan peningkatan regangan. Tanpa ketegangan, ^” _xx (ε ^” _yy ) dan ^” _zz adalah anisotropi dengan preferensi transformasi E||ĉ untuk semua I ₁ , Aku ₂ , dan Aku ₃ struktur. Baik untuk saya ₁ atau Aku ₃ , sementara regangan tekan diterapkan, anisotropi transisi dipol pertama-tama ditingkatkan dan kemudian melemah dan dengan regangan tarik selalu ditingkatkan. Namun demikian, anisotropi I ₂ ditingkatkan dengan meningkatnya regangan tarik dan menjadi lemah setelah regangan tekan diperkenalkan. Isotropi transisi dipol terjadi ketika regangan tekan terus meningkat hingga 6%~− 4%, di mana E||ĉ dan E⊥ĉ memiliki preferensi transformasi yang sama. Dengan demikian, bilayer WSSe dengan modulasi regangan yang sesuai akan mengarah ke transisi dari anisotropi optik ke isotropi. Karena efek eksitonik biasanya memainkan peran penting dalam penyerapan optik [36, 37], fungsi dielektrik yang ditentukan preferensi transisi dipol dapat dieksplorasi untuk aplikasi optoelektronik potensial dengan proses electroluminescence.

Seperti yang telah ditunjukkan bahwa beberapa lapisan tunggal TMDC tipikal dengan fase 2H memiliki kisi heksagonal yang sama dan karakter yang serupa dalam struktur pita lapisan mono mereka [5, 33, 38, 39]. Oleh karena itu, monolayer dan bilayer Janus berasal dari bahan TMDC ini, seperti MXY (M =Mo atau W, X /Y =S, Se, atau Te, dan X Y ), diharapkan memiliki struktur pita yang serupa [8, 32] dan dengan demikian sifat elektronik dan optik yang serupa, serta kecenderungan evolusi dengan modulasi regangan. Oleh karena itu, hasil perhitungan utama akan memiliki universalitas tertentu pada material Janus 2H-TMDC. Melalui laporan sebelumnya, sifat mekanik MoS yang ditekuk di luar bidang₂ film tipis telah terungkap [40], sifat elektronik dan optik dari senyawa TMDC telah dipelajari [22], dan celah energi TMDCs monolayer dan Janus heterobilayer telah ditunjukkan untuk mengontrol medan listrik [41]. Dibandingkan dengan karya-karya ini, kami memberikan serangkaian hasil inovatif dalam sifat elektronik dan optik termodulasi regangan dari bilayer Janus WSSe 2D, yang memperkaya konotasi fisik bahan Janus dan memberikan strategi kontrol yang menjanjikan terhadap penerapan elektronik dan generasi berikutnya. perangkat nano optoelektronik.