Janus ZrBrI 光电性质的第一性原理计算

打开文本图片集

摘 要：基于密度泛函理论，采用第一性原理的平面波赝势法系统计算ZrI2和Janus ZrBrI 的几何结构、电子性质和光学性质.几何结构分析发现Janus 结构对键长及单层厚度都存在一定影响. 基于HSE06 泛函计算结果表明ZrI2和Janus ZrBrI 均为准直接带隙半导体，禁带宽度分别为0.84、1.01 eV，其价带和导带主要由Zr 的4d 态电子构成. 同时，Janus 结构能形成内建电场，进一步抑制电子空穴对的复合. 利用介电函数计算得到折射率、反射谱、吸收谱、光电导率和能量损失函数等光学参数，光学性质分析表明ZrI2和Janus ZrBrI 在可见光的吸收系数可达10-4 cm-1，Janus 结构能够实现吸收峰的蓝移.

关键词：Janus ZrBrI；第一性原理；电子结构；光学性质

中图分类号：O469

DOI： 10.19504/j.cnki.issn1671-5365.2024.06.13

自2004 年成功剥离出石墨烯以来，二维材料成为科学家们研究的热点[1-4]. 其中，二维半导体材料由于具有原子级厚度及独特的能带结构，在光电器件应用领域展现出独特的优势[5]，得到科学界的关注，被广泛应用于微电子器件领域，尤其可以作为光电探测器的基础材料. 同时，二维半导体材料在太阳能光催化领域也可作为析氢反应和碳捕获的催化剂[6]. 王根旺等概述了几种常见的二维半导体材料，分析了材料的结构、性质及其在纳米器件中的应用[7]. 2018 年王新江等对Bi/Sb 基硫卤化物、氧卤化物和二维过渡金属硫化物（TMDCs）的超晶格结构展开高通量计算，理论上设计并筛选出了三类具有较高光电转换效率的Bi/Si 基卤化物作为优异的光电材料候选者[8]. 这种通过理论设计出半导体光电材料来丰富半导体光电材料家族种类的方法，是一种光电材料学领域的新发展思路，有巨大的应用价值. 但许多二维半导体材料却由于其存在的缺点，如：石墨烯的零带隙特性[9]、MoS2 的低载流子迁移率[10]等，在实际应用中有局限性. 幸运的是，科学家们寻找到了一批化学剂量简单、化学稳定性强、实验可行性好、集光能力强的新型二维半导体材料，如二维ZrI2[11].

ZrI2、ZrBr2这类物质属于过渡金属二卤化物，研究人员对这类物质进行了研究. 2021 年Huang 等人利用第一性原理计算，理论上证明了单层二卤化锆材料ZrX2 （X = Cl，Br 和I）体现出优异的光电性能，在光电材料领域有潜在的应用价值[11]；单层ZrX2能通过简单的机械剥离从体相获得，且具有良好的动力学、热力学和力学稳定性，具备实验合成可行性.在实验上，Corbett 等人在1982 年合成了一种弱范德华力叠加的层状化合物β-ZrI2[12]，推动了二维锆基卤化物的研究热潮. Jiang 也在2011 年对四种简单的TMDC 材料MX2 （M=Zr 和Hf，X=S 和Se）进行结构和电子性质的研究[13]. ZrI2这种过渡金属二卤化物，以其准二维层状结构为特征，具有丰富的化学和物理性质. 但以第一性原理为研究手段，对ZrI2的结构和电子性质的研究仍缺乏全面的认识[14]，在其Janus结构的研究上，也暂未见报道. Janus 材料由于它的双面不对称特征，有着极大的研究价值，尤其在光学和电子领域具有一定的应用前景，许多科学家对其进行了广泛的研究[15-17]. 如2019 年，Zhang 等人用第一性原理计算方法研究了方形相MX2和Janus MXY（M = Mo，W；X，Y = S，Se，Te）过渡金属二卤族化合物单分子膜，证明Janus 1S-MXY 系统本质上具有自旋劈裂，其中1S-WSTe 单层在3% 的压缩应变下的自旋劈裂最大[18]. 2021 年Chaney 等人也利用第一性原理和机器学习方法综合研究锂在Janus Mo/WXY（X，Y = S，Se，Te）上的吸附和扩散，探索二维Janus 过渡金属二卤族化合物（TMDs）在锂离子电池电极上的应用[19].

本文通过打破ZrI2的镜面对称结构将一层碘原子替换为与其性质相似的溴原子，构建Janus ZrBrI，并通过第一性原理计算Janus ZrBrI 的电子结构（能带结构、电子态密度）和光学性质（介电函数、复折射率、光电导率、能量损失函数、吸收谱和反射谱），旨在拓展锆基卤化物的设计思路，为锆基卤化物在光电材料领域的应用提供理论依据.。（剩余10687字）