Propriedades eletrônicas ajustáveis por deformação e alinhamentos de banda na heteroestrutura GaTe / C2N:um cálculo dos primeiros princípios

Resumo

Recentemente, GaTe e C ₂ N monocamadas foram sintetizadas com sucesso e apresentam propriedades eletrônicas e ópticas fascinantes. Tal híbrido de GaTe com C ₂ N pode induzir novas novas propriedades físicas. Neste trabalho, realizamos simulações ab initio nas propriedades estruturais, eletrônicas e ópticas do GaTe / C ₂ Heteroestrutura de N van der Waals (vdW). Nossos cálculos mostram que GaTe / C ₂ A heteroestrutura N vdW é um semicondutor de gap indireto com alinhamento de bandas do tipo II, facilitando uma separação efetiva de portadores fotogerados. Curiosamente, ele também apresenta absorção de luz UV visível melhorada em comparação com seus componentes e pode ser adaptado para ser um bom fotocatalisador para separação de água em determinado pH pela aplicação de tensões verticais. Além disso, exploramos especificamente a adsorção e decomposição de moléculas de água na superfície de C ₂ Camada N na heteroestrutura e a formação subsequente de hidrogênio, que revela o mecanismo de produção fotocatalítica de hidrogênio no 2D GaTe / C ₂ N heteroestrutura. Além disso, verificou-se que as cepas biaxiais no plano podem induzir transições indiretas-diretas-indiretas, semicondutoras e tipo II para transições tipo I ou tipo III. Esses resultados interessantes tornam o GaTe / C ₂ Heteroestrutura N vdW um candidato promissor para aplicações na próxima geração de dispositivos optoeletrônicos multifuncionais.

Histórico

Desde a descoberta do grafeno [1, 2], o interesse em materiais em camadas bidimensionais (2D) tem crescido continuamente. Muitos materiais 2D semelhantes ao grafeno, como dichalcogenetos de metal de transição [3], estruturas em colmeia de monocamada de elementos do grupo V e compostos binários III-V [4-8] e calcogenetos de metal pós-transição (PTMCs) [9] ganharam muito de interesse devido às suas propriedades físicas excepcionais e aplicações promissoras. Entre esses diversos materiais 2D, a monocamada de GaTe, como um membro de PTMCs [9], foi fabricada com sucesso por epitaxia de feixe molecular [10]. Cálculos teóricos mostraram que a monocamada de GaTe é um semicondutor bandgap indireto e seu bandgap pode ser modulado pela aplicação de deformações [11]. Além disso, monocamada C ₂ N, um novo material em camadas 2D com distribuições uniformes de poros e átomos de nitrogênio, também foi sintetizado com sucesso por meio de uma reação química úmida de baixo para cima e descobriu-se que era um semicondutor de gap direto [12]. Muitos estudos demonstraram que seu bandgap, posições de borda de banda e propriedades ópticas podem ser projetadas variando sua ordem de empilhamento, número de camada, campo elétrico externo ou deformação e liga / substituição por outros elementos [13-16]. Deve-se notar que o bandgap direto sintonizável e a natureza porosa de C ₂ Espera-se que N apresente propriedades desejáveis para eletrônica, optoeletrônica e conversão de energia, bem como divisão fotocatalítica de água, etc. [15]. No entanto, um desafio significativo ainda permanece para o uso de C ₂ N em fotocatálise e células fotovoltaicas:Os pares elétron-buraco fotogerados ficam nas mesmas regiões espacialmente, o que pode levar a uma alta taxa de recombinação de portadores fotogerados, reduzindo assim a conversão de energia solar

Em paralelo com os esforços em materiais 2D únicos, as heteroestruturas de van der Waals (vdW) fabricadas pelo empilhamento de diferentes materiais semicondutores 2D abriram novos caminhos para a criação de novos materiais e projetos de novos dispositivos [17-23]. Este tipo de heteroestrutura pode ser geralmente classificado em três tipos:o tipo I (fenda straddling), tipo II (fenda escalonada) e tipo III (fenda quebrada) de acordo com as posições relativas da banda de valência máxima (VBM) e banda de condução mínimo (CBM) dos respectivos semicondutores [18, 24, 25]. Para as heteroestruturas do tipo I, as energias do VBM e CBM de um material abrangem as do outro material e todos os elétrons e buracos fotogerados são acumulados na mesma camada, o que induz a recombinação ultrarrápida dos portadores excitados e, portanto, podem ser utilizados em dispositivos optoeletrônicos, como diodo emissor de luz. No caso das heteroestruturas do tipo II, tanto o CBM quanto o VBM de um material são menores ou maiores em energia do que os do outro material. Como resultado, elétrons fotogerados e lacunas são confinados separadamente nos dois materiais, respectivamente, inibindo assim a taxa de recombinação. Portanto, eles podem ser usados como blocos de construção para dispositivos fotovoltaicos [18, 24]. Já para as heteroestruturas do tipo III, o nível de VBM de um material é maior do que o nível de CBM do outro, o que é desejável para o tunelamento de transistores de efeito de campo [25, 26]. Muito recentemente, muitas heteroestruturas baseadas em GaTe foram extensivamente estudadas tanto teórica quanto experimentalmente. A heteroestrutura GaTe / InSe foi fabricada experimentalmente e apresenta o alinhamento de bandas do tipo II [27, 28]. A heteroestrutura quase 2D de GaTe / GaSe foi criada pela transferência de poucas camadas de GaSe esfoliada para folhas de GaTe em massa e descobriu-se que forma o alinhamento da banda tipo I na interface [29]. A heteroestrutura GaTe / SnI foi verificada como um isolador Hall de spin quântico de grande lacuna e exibe uma divisão Rashba perceptível que pode ser modulada pela alteração da distância entre camadas de hetero-folhas [30]. Além disso, construção de semicondutor / C ₂ N heteroestruturas, como g-C ₃ N ₄ / C ₂ N [31], MoS ₂ / C ₂ N [32] e CdS / C ₂ N [33], demonstrou um enorme potencial para promover o desempenho fotocatalítico de C ₂ N devido à separação eficiente dos pares elétron-buraco, restringindo assim a recombinação de portadores fotogerados.

Neste trabalho, construímos o GaTe / C ₂ NvdW heteroestrutura e realizar cálculos de teoria funcional de densidade de primeiros princípios (DFT) para investigar seus parâmetros estruturais e propriedades ópticas eletrônicas. Os resultados mostram que a heteroestrutura possui alinhamento intrínseco de bandas do tipo II e melhor absorção de luz UV visível do que as camadas constituintes. Além disso, podemos prever as dependências de deformação do bandgap, alinhamentos de banda e posições de borda de banda do GaTe / C ₂ N heteroestrutura, que são essenciais no projeto de novos nano-dispositivos multifuncionais.

Métodos

Em nossa pesquisa, realizamos cálculos de primeiros princípios usando o pacote de simulação Vienna ab initio (VASP) [34]. Uma base de onda plana definida com um corte de energia cinética de 500 eV e um pseudopotencial de onda aumentada projetada de Perdew-Burke-Ernzerhofer (PBE) [35] são adotados para expandir as funções de onda e descrever o potencial elétron-íon, respectivamente. O método funcional híbrido Heyd-Scuseria-Ernzerhof (HSE06) [36], computacionalmente mais caro, é adotado para corrigir os bandgaps subestimados obtidos por cálculos DFT / PBE. A fraca interação vdW entre as duas monocamadas é descrita pela correção DFT-D2 de Grimme [37]. Um espaço de vácuo no z -direcção mais de 25 Å é usada para evitar interações entre heterobayers adjacentes. A 21 × 21 × 1 (11 × 11 × 1) k -mesh para os cálculos PBE (HSE06) é utilizado para amostrar a zona de Brillouin. As posições atômicas são totalmente relaxadas até que a energia e as forças sejam convergidas para 10 ⁻⁵ eV e 0,01 eV / Å, respectivamente.

Resultados e discussão

Vamos começar com as investigações do GaTe e C ₂ prístinos N monocamadas. As configurações otimizadas das duas monocamadas são mostradas na Fig. 1a, b, respectivamente. Seus parâmetros estruturais estão listados na Tabela 1. Para a monocamada de GaTe, a constante de rede otimizada e o comprimento da ligação de Ga-Te são 4,14 e 2,41Å, respectivamente. No caso do C ₂ Monocamada N, a constante de rede otimizada, C-N, e distâncias C-C (1) / C-C (2) são 8,26, 1,34 e 1,47 / 1,43Å, respectivamente. Além disso, suas estruturas de banda também são investigadas pelos cálculos PBE / HSE06 e apresentadas no arquivo Adicional 1:Figura S1a eb, respectivamente. Aparentemente, a monocamada de GaTe é um semicondutor com um bandgap indireto de 1,43 / 2,13 eV enquanto C ₂ A monocamada N é um semicondutor de bandgap direto com um valor de 1,65 / 2,44 eV. Enquanto isso, descobrimos que, além de uma mudança rígida, as estruturas de banda de C ₂ A monocamada N calculada com PBE e HSE06 difere significativamente, especialmente para as bandas de valência. No entanto, os CBMs e VBMs calculados usando PBE e HSE06 estão todos em Γ pontos, indicando que as dispersões de banda dadas pelos dois funcionais são relativamente consistentes, embora haja alguma diferença na precisão. Todos os resultados estão de acordo com os de relatórios anteriores [11, 38] e sugerem a confiabilidade de nosso método de cálculo. Como é bem conhecido, bandgaps de semicondutores são geralmente subestimados pelo funcional PBE devido à falta de descontinuidade derivada no funcional de energia. Nossa apresentação subsequente para as propriedades eletrônicas e ópticas será baseada nos resultados do HSE06.

Vistas superior e lateral de ( a ) GaTe e ( b ) C ₂ N monocamadas. Principais visualizações de ( c - e ) α -, β -, e γ - empilhamento GaTe / C ₂ N heteroestruturas, em que os vetores de base correspondentes das heteroestruturas são rotulados

O GaTe / C ₂ N heterobayer é construída combinando uma supercélula 2 × 2 de folha GaTe e uma célula unitária 1 × 1 de C ₂ Camada N, com a incompatibilidade de rede de apenas 0,48%. A fim de encontrar a configuração estável da heteroestrutura, mudamos a monocamada de GaTe em diferentes direções. Como resultado, três tipos de empilhamento energeticamente favoráveis com alta simetria chamados de α -, β -, e γ - empilhamento são obtidos, conforme ilustrado na Fig. 1c – e. No α - empilhamento, o hexagonal C ₄ N ₂ os anéis estão bem sobre os anéis hexagonais de GaTe. Quanto ao β - e γ - empilhamento, eles podem ser obtidos movendo a camada de GaTe no α - empilhando cerca de 1,21 e 2,42 Å ao longo do a + b direção, respectivamente. Para comparar as estabilidades relativas das três configurações de empilhamento, calculamos suas energias de ligação de interface, \ (\ phantom {\ dot {i} \!} E _ {\ mathrm {b}} =(E _ {\ mathrm {GaTe / C_ { 2} N}} - E _ {\ text {GaTe}} - E _ {\ mathrm {C_ {2} N}}) / S \), onde \ (\ phantom {\ dot {i} \!} E _ {\ mathrm {GaTe / C_ {2} N}} \), E _GaTe , e \ (E _ {\ mathrm {C_ {2} N}} \) representam as energias totais do GaTe / C ₂ Heterestrutura N, GaTe independente e C ₂ N monocamadas, respectivamente, e S é a área da superfície da supercélula 2D. Conforme mostrado na Tabela 1, as energias de ligação de GaTe / C ₂ N heteroestruturas com α -, β -, e γ - as configurações de empilhamento são - 15,06 meV, - 14,97 meV e - 15,80 meV / Å ² , respectivamente. As três energias de ligação estão muito próximas uma da outra embora o γ - o empilhamento é energeticamente mais favorável, o que é consistente com sua menor distância entre camadas. Confirmamos ainda as estabilidades dinâmicas e térmicas dessas heteroestruturas com diferentes formas de empilhamento calculando seus espectros de fônons e realizando simulações de dinâmica molecular (MD) ab initio e mostramos os resultados no arquivo adicional 1:Figura S2. Todos os modos de fônon têm frequências positivas, exceto para o modo acústico transversal próximo ao Γ ponto devido ao amolecimento do fônon, confirmando a estabilidade dinâmica [5]. Nas simulações MD, as energias totais dos sistemas oscilam em certas faixas de energia, e nenhuma reconstrução geométrica e ligações quebradas são encontradas nas heteroestruturas, indicando que esses sistemas são termicamente estáveis à temperatura ambiente [39]. Notamos que durante a simulação MD o γ -configuração de empilhamento possui a menor ondulação de energia (menos de 7 meV / átomo), indicando sua estabilidade térmica mais proeminente. As energias de ligação muito próximas das três configurações de empilhamento implicam que suas estruturas eletrônicas também podem ser muito semelhantes. Para confirmar isso, calculamos as estruturas de banda para as três configurações (ver arquivo adicional 1:Figura S3). Pode-se ver que as três estruturas de bandas são de fato quase idênticas. Embora o γ -configuração de empilhamento é a mais estável, as três configurações ainda podem ser preenchidas com algumas probabilidades em temperatura ambiente por causa de suas energias de formação semelhantes. Porém, como suas estruturas eletrônicas também são muito próximas, podemos escolher apenas uma configuração para apresentar nosso trabalho. Aqui, escolhemos o mais estável γ - configuração de empilhamento nas análises e discussões a seguir.

Agora vamos para as propriedades eletrônicas do GaTe / C ₂ Heteroestrutura N vdW. Conforme mostrado na Fig. 2a, o bandgap de GaTe / C ₂ A heteroestrutura de N é calculada como sendo cerca de 1,38 eV. Em comparação com seus componentes, seu bandgap é reduzido devido ao GaTe-C ₂ Interação N e o alinhamento de banda resultante. Além disso, a estrutura eletrônica de C ₂ A monocamada N está bem preservada. No entanto, a estrutura de banda projetada de GaTe na heteroestrutura apresenta alterações consideráveis em comparação com a monocamada, o que pode ser atribuído ao fato de que a intercamada vdW e as interações eletrostáticas podem resultar na sobreposição de estados eletrônicos nas bandas da heteroestrutura. Comportamento semelhante também é encontrado no MoS ₂ / PbI ₂ heteroestrutura vdW [40]. Além disso, descobrimos que seu VBM e CBM estão localizados principalmente em GaTe e C ₂ N subcamadas, respectivamente. A partir da densidade total e parcial calculada de estados (PDOS) na Fig. 2a (painel direito), pode-se ver que o CBM se origina principalmente do p estados dos átomos N e C, enquanto o VBM é principalmente dominado pelo p estados dos átomos de Te e Ga. As densidades de carga decompostas em banda do CBM e VBM na Fig. 2c, d revelam que os elétrons e lacunas de menor energia estão distribuídos no C ₂ Camada N e camada GaTe, respectivamente, consistentes com os resultados PDOS detalhados acima. O alinhamento da banda do GaTe / C ₂ A heteroestrutura N incluindo o deslocamento VB (VBO) e o deslocamento CB (CBO) é ilustrada na Fig. 2b, que está de acordo com a análise da Fig. 2a. Claramente, o VB e o CB da camada GaTe são mais altos em energia do que as bandas correspondentes do C ₂ Camada N, e o VBO e CBO entre o GaTe e C ₂ N camadas são cerca de 1,03 e 0,72 eV, respectivamente. Quando a heteroestrutura é iluminada com luz, os elétrons com energia obtida da luz do sol saltam para o CB do VB. E então esses elétrons fotogerados no CB da folha de GaTe podem ser facilmente deslocados para o do C ₂ Camada N devido ao CBO observado. Por outro lado, os orifícios fotogerados no VB do C ₂ Transferência de folha N para aquela da camada GaTe por causa do VBO. Os resultados acima sugerem que um alinhamento de banda do tipo II é formado na interface entre GaTe e C ₂ N camadas, que é um pré-requisito para separar os elétrons e os buracos com eficiência. Além disso, a diferença de densidade de carga média calculada no plano da heteroestrutura, mostrada no arquivo adicional 1:Figura S4, indica que alguns elétrons são transferidos do C ₂ Camada N para a camada GaTe. Isso significa que um campo elétrico interno intrínseco ( E _em ) é induzido com sua direção apontando de C ₂ Camada N para camada GaTe. Observe também que o E _em atua na direção oposta (mesma) às transferências de elétrons fotogerados (buracos) e, portanto, inibe a recombinação de pares elétron-buraco fotogenerados. Como resultado, sob o efeito combinado de E intrínseco _em e deslocamento de banda, os carregadores fotogerados podem ser efetivamente separados em diferentes superfícies, o que pode melhorar a eficiência de conversão de energia e, finalmente, aprimorar o desempenho de dispositivos optoeletrônicos.

a A estrutura de banda projetada do GaTe / C ₂ N heteroestrutura com γ - configuração de empilhamento e a correspondente densidade total e parcial de estados. b Representação esquemática dos alinhamentos de banda do tipo II para a transferência e separação da portadora no GaTe / C ₂ N heteroestrutura, referindo-se ao nível de vácuo. Os potenciais redox (linha tracejada vermelha) da divisão da água em pH =0 são mostrados para comparação. Densidades de carga decomposta em banda do c VBM e d CBM da heteroestrutura

Além disso, notamos que o CBM da heteroestrutura localiza-se mais positivo do que o potencial de redução (- 4,44 eV vs nível de vácuo) da evolução do hidrogênio, enquanto seu VBM quase se sobrepõe ao potencial de oxidação (- 5,67 eV vs nível de vácuo) da evolução do oxigênio. Conseqüentemente, ele tem apenas capacidade fotocatalítica limitada de dividir a água pela produção de hidrogênio a pH =0. No entanto, alterar o espaçamento entre camadas e o valor de pH pode iniciar a aplicação potencial da heteroestrutura como um fotocatalisador de luz visível (ver discussão posterior em detalhes).

Na verdade, um nanodispositivo fotoelétrico promissor deve absorver o máximo possível de luz ultravioleta visível. Assim, exploramos ainda mais as absorções ópticas do GaTe / C ₂ N heteroestrutura e seus componentes. Os detalhes computacionais foram totalmente descritos em nossos trabalhos anteriores [22, 23]. Conforme exibido na Fig. 3, o GaTe / C ₂ A heteroestrutura N exibe uma absorção de luz UV visível mais forte e uma faixa de absorção mais ampla em comparação com seus componentes, especialmente na faixa de energia de 2,20 a 4,71 eV. Isso decorre das novas transições ópticas induzidas pela transferência de carga e acoplamento intercamadas na heteroestrutura [41].

Os espectros de absorção óptica calculados A ( ω ) do GaTe / C ₂ N heteroestrutura e seus componentes usando híbrido HSE06 funcional. A ( ω ) das heteroestruturas com deformações verticais de 0,5 Å e 1,5 Å e deformações no plano de + 6% e -6%. E o espectro solar também é mostrado para comparação

É amplamente conhecido que as deformações, incluindo as deformações intercamadas (normais) e no plano, fornecem uma maneira eficaz de ajustar as propriedades eletrônicas e, assim, melhorar o desempenho dos materiais [42]. Aqui, primeiro exploramos o efeito de deformação normal em GaTe / C ₂ Heteroestrutura N vdW. A deformação normal é avaliada por Δ d = d - d ₀ , onde d e d ₀ são as distâncias reais e de equilíbrio, respectivamente, entre GaTe e C ₂ N subcamadas. Assim, se Δ d > 0, o sistema está sob uma tensão de tração normal e vice-versa. A mudança na interação entre o GaTe e C ₂ N camadas devem ser refletidas pela intensidade da transferência de carga entre elas. As diferenças de densidade de carga calculadas em média no plano do GaTe / C ₂ N heteroestruturas com diferentes distâncias entre camadas são mostradas no arquivo adicional 1:Figura S5. Os resultados mostram que conforme a distância entre GaTe e C ₂ N folhas diminui, a transferência de carga obviamente se intensifica como resultado da interação intercamada aprimorada. Assim, o comportamento eletrônico do GaTe / C ₂ Espera-se que a heteroestrutura N seja bem ajustada pela deformação normal.

O bandgap calculado e a energia de ligação da heteroestrutura como funções da deformação aplicada são mostrados na Fig. 4a, e as evoluções do CBM e VBM da heteroestrutura sob deformação normal são mostradas na Fig. 4b. É claramente mostrado que um aumento da deformação compressiva normal reduz o bandgap devido à interação entre camadas aprimorada. Em contraste, um aumento da deformação de tração normal primeiro aumenta lentamente o bandgap e, em seguida, atinge quase uma convergência em Δ d ≃0,8Å, que pode surgir da maior redução da interação entre camadas [32]. Encontramos a estrutura de equilíbrio em Δ d =0 tem a energia de ligação mais baixa, o que é consistente com o resultado mostrado na Tabela 1. Enquanto isso, notamos que os alinhamentos de banda do tipo II e a absorção de luz UV visível melhorada são preservados, sendo quase independente da distância entre as camadas (ver Fig. 3 e Arquivo Adicional 1:Figura S6). Mais interessante, as grandes deformações normais de tração ( Δ d ≃0.3 Å) deslocar o VBM abaixo do O ₂ / H ₂ O potencial de oxidação, tornando o sistema adequado para a divisão da água em pH =0. Durante a divisão fotocatalítica da água, os processos de produção de hidrogênio e oxigênio ocorrerão separadamente no C ₂ Camada N e camada GaTe, respectivamente. Observamos que, em tal situação, o superpotencial VBM é tão pequeno que pode não ser suficiente para O ₂ produção [43], mas tais potenciais de polarização podem ser ajustados mudando o valor de pH do meio [44]. Em outras palavras, as propriedades fotocatalíticas para a divisão da água podem ser moduladas ainda mais pelo controle do pH para corresponder ao potencial redox da água. Como ilustrado na Fig. 4b, no ambiente ácido de pH =2, as bordas da banda da heteroestrutura perfeitamente abrangem o potencial redox da água, mostrando que a heteroestrutura é bem adequada para H ₂ / O ₂ produção de água, especialmente para grandes deformações verticais aplicadas.

Efeitos de tensão normal em a o bandgap e energia de espera, e b as posições da borda da banda de GaTe / C ₂ Heteroestrutura N vdW. Os potenciais redox da divisão da água em pH 0 (linha tracejada vermelha) e pH 2 (linha tracejada azul) são mostrados para comparação

Para revelar ainda mais o mecanismo de geração de hidrogênio fotocatalítico em GaTe / C ₂ N heteroestrutura, simulamos a adsorção e decomposição de água na superfície do C ₂ Camada N, onde o hidrogênio é produzido durante a divisão fotocatalítica da água. Como a formação das moléculas de hidrogênio começa a partir da decomposição da água absorvida, primeiro investigamos a energia de absorção de H, OH e H ₂ O no C ₂ Superfície N no nível DFT / PBE. As energias de adsorção correspondentes são -1,03, -0,51 e -0,56 eV, respectivamente, conforme ilustrado na Fig. 5a. Os valores negativos indicam que as absorções são energeticamente favoráveis [45]. Posteriormente, a energia de reação calculada da decomposição da água é de cerca de 1,48 eV (de - 0,56 a 0,92 eV). Isso significa que a decomposição da água é uma reação endotérmica nesta superfície. Além disso, como os átomos de hidrogênio gerados são adsorvidos em C ₂ Na superfície N, o adatom de hidrogênio separado remotamente será energeticamente favorável para migrar próximo para formar moléculas de hidrogênio [46]. Conforme exibido na Fig. 5b, a energia de reação necessária para remover um H ₂ de C ₂ N é relativamente pequeno (0,04 eV), o que indica que o H ₂ adsorvido é fácil de ser liberado e é benéfico para a produção de gás hidrogênio fotocatalítico.

a Configurações de adsorção de H, OH, H ₂ O e mecanismo de decomposição de H ₂ O em C ₂ Superfície N em GaTe / C ₂ Heteroestrutura N vdW. b Interação entre dois adátomos de hidrogênio, formação e liberação de hidrogênio molecular em C ₂ Superfície N em GaTe / C ₂ Heteroestrutura N vdW

Finalmente, passamos a explorar o efeito de deformações biaxiais no plano, que é simulado pela alteração do parâmetro de rede cristalina e calculado por ε =( a - a ₀ ) / a ₀ , onde a e a ₀ são as constantes de rede das estruturas distendidas e primitivas, respectivamente. Para garantir que as deformações biaxiais na camada consideradas estejam dentro da faixa de resposta elástica, primeiro examinamos a energia de deformação por átomo, E _s =( E _tenso - E _{sem restrições} ) / n , com n sendo o número de átomos na célula unitária. A curva de tensão-energia calculada (ver Fig. 6a (direita y -eixo)) mostra uma característica da função quadrática, indicando que todas as deformações consideradas estão dentro do limite elástico e, portanto, são totalmente reversíveis. A evolução do bandgap sob várias cepas biaxiais é dada na Fig. 6a. Pode-se observar que o bandgap atinge seu valor máximo (-1,45 eV) sob a deformação de cerca de - 2%. Em ε =- 12% o sistema sofre uma transição de semicondutor para metal, implicando em propriedades condutivas e de transporte sintonizáveis desta heteroestrutura. Enquanto isso, uma interessante transição indireta-direta-indireta (Ind-D-Ind) bandgap é encontrada em ε ≃− 3% e - 8%, respectivamente. Essas transições são derivadas das mudanças de energia de banda induzidas por deformação em diferentes pontos k (consulte o arquivo adicional 1 para obter detalhes:Figura S7). A transição Ind-D e as mudanças na estrutura eletrônica devido à deformação podem aumentar a absorção óptica [47]. Na Fig. 3, comparamos as absorções ópticas do GaTe / C ₂ N heteroestruturas sob tensões de ± 6%, onde seus bandgaps são quase os mesmos. Os resultados mostram que as cepas biaxiais desviam para o vermelho os espectros ópticos na faixa de luz visível, sendo consistente com o bandgap diminuído discutido acima. Curiosamente, uma deformação de - 6% leva a uma absorção óptica significativamente melhorada na região de [1,60–2,65 eV]. Além disso, também se descobriu que a tensão pode alterar o alinhamento da banda. Conforme mostrado na Fig. 6b e arquivo adicional 1:Figura S7, para ε ≥ + 6%, o CBM da subcamada de GaTe se desloca para baixo e se torna o CBM da heteroestrutura. Como resultado, as energias do CBM e VBM na subcamada GaTe são montadas por aquelas no C ₂ N subcamada, levando a uma transição do tipo II para o tipo I. Aqui, notamos que o CBM e o VBM da subcamada GaTe se aproximam sob grandes deformações de tração e formam um bandgap muito pequeno enquanto aqueles do C ₂ N subcamada tem apenas uma pequena alteração. Este comportamento pode ser entendido considerando primeiro os efeitos de deformação nas estruturas eletrônicas das duas monocamadas isoladas. Cálculos anteriores mostraram que o bandgap da monocamada de GaTe é muito mais sensível a grandes deformações de tração do que o de C ₂ Monocamada N:sob grandes deformações de tração, o primeiro se tornará muito pequeno, enquanto o último permanece [11, 16]. Isso pode ser devido à estrutura de flambagem de GaTe, que é afetada mais significativamente por deformações no plano. Uma vez que as interações intercamadas gerais na heteroestrutura são fracas, principalmente o vdW e as interações eletrostáticas que têm apenas efeitos menores no bandgap, os comportamentos das duas monocamadas sob grandes deformações de tração são preservados no GaTe / C ₂ N heteroestrutura. Além disso, para ε ≥ − 12%, tanto o CBM quanto o VBM da subcamada GaTe tornam-se maiores do que os do C ₂ N subcamada e, assim, o alinhamento da banda do tipo III é formado. No entanto, quando a tensão compressiva é aumentada para ser maior que - 13%, este alinhamento de banda do tipo III é quebrado, onde o C ₂ N subcamada se tornará metálica. Em uma palavra, a deformação pode projetar efetivamente o tipo e o valor do bandgap e o alinhamento da banda do GaTe / C ₂ N heteroestrutura. Isso será útil para projetar dispositivos eletrônicos e optoeletrônicos multifuncionais de alto desempenho.

a Efeitos da deformação biaxial no plano no bandgap e na energia de deformação do GaTe / C ₂ Heteroestrutura N. As regiões mistirose, azul e verde representam as faixas de bandgap do metal (M), Ind e D, respectivamente. b As evoluções das posições das bordas de banda das subcamadas na heteroestrutura em função da deformação biaxial no plano. As regiões I, II e III correspondem aos alinhamentos de banda tipo-I, -II e -III, respectivamente

Conclusões

Em resumo, realizando cálculos DFT híbridos de primeiros princípios, investigamos sistematicamente as propriedades estruturais, eletrônicas e ópticas dependentes de deformação do GaTe / C ₂ N heteroestrutura. Prevê-se que seja um semicondutor de lacuna indireta mostrando absorção ótica melhorada na faixa de UV visível em comparação com seus componentes. O alinhamento da banda do tipo II e o campo elétrico interno intrínseco inibem a recombinação desperdiçada em energia dos portadores fotogerados e, portanto, aumentam o desempenho dos dispositivos optoeletrônicos. Em particular, grandes tensões normais de tração podem tornar o sistema adequado para separação de água em determinado pH. Ao estudar os comportamentos de absorção e decomposição de uma molécula de água no C ₂ N subcamada na heteroestrutura, descobrimos que a absorção de H ₂ O e a formação de H ₂ no C ₂ As superfícies N são todas energeticamente favoráveis, o que é benéfico para a produção fotocatalítica de gás hidrogênio. As deformações compressivas no plano induzirão as transições Ind-D-Ind e semicondutor-metal, enquanto as deformações de tração no plano induzirão a transição do tipo II para o tipo I ou tipo III. Esses resultados demonstram que o GaTe / C ₂ A heteroestrutura N tem grande potencial em aplicações de dispositivos optoeletrônicos multifuncionais.