基于二维Janus TMDs的光电子器件研究

01 引言

近年来，二维材料在纳米光电子器件中的潜在应用前景已经在理论和实验中得到了证实。PGE (Photogalvanic effect) 效应能够在不施加偏置电压或不构建p-n结情况下产生光电流，引起了人们的广泛关注。产生净电流的前提是材料系统的空间反演对称性被打破。PGE能够产生比材料带隙更高的开路电压，这使得PGE能够提高太阳能电池的光伏效率。PGE还可以产生完全自旋极化或纯自旋光电流，这意味着它为量子自旋器件提供了一种方案。此外，PGE对偏振光具有敏感性，可应用于高偏振敏感的光电探测器。然而，PGE光电流幅度较小，这严重限制了其潜在应用。因此，如何增强PGE光电流成为亟待解决的问题。区别于以往通过应力工程、替代掺杂、空位、构建异质结和机械弯曲等外部调制，我们分别研究了内禀应变引起的自发卷曲效应和材料生长过程中固有的晶界对光电探测器中PGE光电流幅度的影响，并解释了提高光电流幅度的微观机理。

02 成果简介

针对单层Janus过渡金属硫族化合物(TMDs), 采用Stillinger-Weber势，利用分子动力学弛豫了MoSSe、MoSeTe、MoSTe、WSSe、WSeTe、WSTe纳米带结构。由于上下层原子的不对称性及其引入的内禀应变，平直的Janus MXY纳米带将自发卷曲为曲率稳定的弯曲结构。其曲率大小与X-Y间的原子序数差正相关，分别为0.178 nm-1、0.208 nm-1、0.389 nm-1、0.137 nm-1、0.211 nm-1和0.354nm-1。为了研究Janus MXY的自发卷曲效应对PGE光电流的影响，我们基于分子动力学模拟得到的卷曲曲率建立了Janus MXY非共线光电探测器。采用非平衡格林函数-密度泛函理论（NEGF-DFT）的Nanodcal软件，计算了光电探测器受线性偏振光驱动时，自发卷曲前后的光电子输运特性。结果表明，平直Janus TMDs单层延armchair和zigzag方向均存在PGE效应。在自发卷曲的影响下，带有非共线电极的Janus TMD光电探测器沿zigzag和armchair方向的PGE光电流平均放大了1个数量级。这种增强主要归因于卷曲引起的从C3v对称性降低到Cs对称性。这种实现PGE光电流的大幅度增强的自发卷曲效应来源于Janus TMDs的内禀应变而非外部调制，为纳米级柔性光电探测器的PGE光电流增强开辟了新思路。

另外，利用第一性原理方法及非平衡格林函数-密度泛函理论（NEGF-DFT）研究了单层Janus MoSSe内沿armchair方向晶界（4|8环）的电子结构及其在线性偏振光下的 PGE光响应。结果表明，PGE光电流对偏振角度敏感，并呈现正弦依赖性。晶界的引入大大降低了晶体对称性（从C3v 到C1），这是光电流平均放大几十倍的主要原因。考虑到这种实现PGE光电流增强的机制并不局限于Janus MoSSe单层，可以推广到其他二维材料，为基于二维材料单层的光电器件设计提供了理论支撑。

03 图文导读

图 1. (a) MoXY纳米带的自发卷曲曲率。(b) WXY纳米带的自发卷曲曲率。 (c) 卷曲Janus MoXY纳米带的原子结构示意图。

图 2. (a) zigzag型自发卷曲Janus TMD光电探测器的俯视图和侧视图。(b) 在不同光子能量下，zigzag型自发卷曲 MoSSe光电探测器的光电流与偏振角θ的关系。

图 3. (a) armchair型自发卷曲Janus TMD光电探测器的俯视图和侧视图。(b) 在不同光子能量下，armchair型自发卷曲 MoSSe 光电探测器的光电流与偏振角θ的关系。

图 4. 平面和自发卷曲zigzag型 (a) MoSSe、(b)MoSeTe、(c)MoSTe、(d)WSSe、(e)WSeTe 和 (f) WSTe光电探测器在不同光子能量下的光电流，偏振角θ=45°。

图 5. 平面和自发卷曲的armchair型 (a) MoSSe、(b)MoSeTe、(c)MoSTe、(d)WSSe、(e)WSeTe 和 (f) WSTe光电探测器在不同光子能量下的光电流，θ=90°。

图 6. (a) θ=45°时沿zigzag方向和 (b) θ=90°时沿armchair方向的光电流增强率。

图 7.  (a) 4|8a GB 和 (b) 4|8b GB 的俯视图和侧视图。蓝色和红色填充区域代表相邻晶粒错位形成的 4|8 GB，分别对应于 4|8a GB 和 4|8b GB。(c) 4|8a GB 和 (d) 4|8b GB 的能带结构。红线和蓝线分别表示 4|8a GB 和 4|8b GB 的缺陷态。

图 8. (a) 用于计算的4|8 GBs 沿zigzag方向的 PGE 光电流的双探针装置。系统分为三个区域：左/右引线和中央散射区。导线延伸至 x=±∞，中心散射区的所有原子都暴露在线性偏振光下。(b) 4|8a GB、(c) 4|8b GB、(d) without-GB 单层在五种不同光子能量的线性偏振光激发下的光电流与偏振角θ的关系。

图 9. (a) 三个光电探测器的最大光电流随光子能量的变化。(b) 有GB光电探测器中最大光电流的增强比。

04 小结

本课题使用了鸿之微第一性原理量子输运计算软件Nanodcal和第一性原理大体系KS-DFT计算软件RESCU，分别研究了自发卷曲效应和晶界的PGE光电流行为。 在研究自发卷曲对PGE光电流幅度增益效应时，我们基于量子输运理论系统地研究了六种Janus过渡金属二硫化物( MXY , M = Mo , W , X , Y = S , Se , Te)中PGE光电流的产生。基于Janus TMDs的自发曲率，沿着zigzag和armchair方向构建了具有非共线电极的光电探测器。自发卷曲是由Janus TMDs中固有应变引起的，曲率由分子动力学模拟确定。在线偏振光垂直照射下，在具有卷曲和平面结构的Janus TMDs中可以观察到PGE光电流。定量地展示了偏振角和光子能量对光电流的影响。在卷曲的光电探测器中，光电流被平均放大了1个数量级以上。这种增强可归因于器件对称性从C3v降低到Cs。另外，我们还研究了晶界对PGE光电流的幅度增益。我们考虑了沿armchair方向的两种4|8晶界类型。在线性偏振光的照射下，PGE光电流在可见光范围内显著增强，两个4|8 GB的平均增强比率分别达到20和13，为开发基于PGE的二维光电子器件提供有力的理论支撑。

审核编辑：刘清