高级搜索

单层Z-Bi2O2Se本征点缺陷及光电性能

,  ,  ,  ,  ,  , 

downloadPDF

上一篇

下一篇

郑世姣, 杨文跃, 杨致, 徐利春, 冯琳, 陈波, 薛林. 单层Z-Bi2O2Se本征点缺陷及光电性能[J]. 物理学报, 2025, 74(12): 126301-1. doi: 10.7498/aps.74.20241701
引用本文: 郑世姣, 杨文跃, 杨致, 徐利春, 冯琳, 陈波, 薛林. 单层Z-Bi2O2Se本征点缺陷及光电性能[J]. 物理学报, 2025, 74(12): 126301-1. doi: 10.7498/aps.74.20241701
shu
Shijiao ZHENG, Wenyue YANG, Zhi YANG, Lichun XU, Lin FENG, Bo CHEN, Lin XUE. Intrinsic point defects and optoelectronic properties in monolayer Z-Bi2O2Se[J]. Acta Physica Sinica, 2025, 74(12): 126301-1. doi: 10.7498/aps.74.20241701
Citation: Shijiao ZHENG, Wenyue YANG, Zhi YANG, Lichun XU, Lin FENG, Bo CHEN, Lin XUE. Intrinsic point defects and optoelectronic properties in monolayer Z-Bi2O2Se[J]. Acta Physica Sinica, 2025, 74(12): 126301-1. doi: 10.7498/aps.74.20241701
shu

单层Z-Bi2O2Se本征点缺陷及光电性能

  • 太原理工大学物理与光电工程学院, 太原　030024

    • 作者简介: 郑世姣: m17835027869@163.com .
    通讯作者: E-mail: xuelin@tyut.edu.cn.

  • 中图分类号: 63.20.dk, 61.72.J-, 68.65.-k, 78.56.-a

Intrinsic point defects and optoelectronic properties in monolayer Z-Bi2O2Se

  • College of Physics and Optoelectronics, Taiyuan University of Technology, Taiyuan 030024, China

    • Corresponding author: E-mail: xuelin@tyut.edu.cn.

  • MSC: 63.20.dk, 61.72.J-, 68.65.-k, 78.56.-a

  • 摘要: 采用基于密度泛函理论的第一性原理和非平衡格林函数方法, 系统研究了单层拉链型硒氧化铋(Z-Bi2O2Se)中空位、反位和吸附点缺陷的结构、电子和光电性质. 通过在不同生长环境下形成能的计算发现, 点缺陷O' 空位, O取代Se反位、Se 吸附Bi'-Bi'-Se和Bi-Bi-Se穴位相对容易形成; 电子态密度及形成能的计算结果显示, O' 空位、Se吸附Bi'-Bi'-Se和Bi-Bi-Se穴位属于深能级n型掺杂. 此外, 沿平行和垂直拉链方向分别构建了基于单层Z-Bi2O2Se的器件, 其光电性能表现出明显的各向异性. 点缺陷的引入降低了体系对称性, 使其光电流在可见光区和紫外光区显著增大, 各向异性仍然存在. 点缺陷对器件消光比的影响同时取决于点缺陷类型及光子能量, 通过选择点缺陷在特定光子能量的照射可以有效提高器件的偏振灵敏度. 本文研究结果对深入认识二维Bi2O2Se结构及其性能提供理论指导.
    Abstract: The novel layered semiconductor material bismuth oxyselenide (Bi2O2Se) exhibits exceptional properties such as thickness-dependent bandgap, superior electron mobility, compatibility with various materials, and stability under ambient conditions. The zipper-type two-dimensional Bi2O2Se (Z-Bi2O2Se) is a newly proposed structure based on theoretical studies of material surface dissociation mechanisms. However, current understanding of this structure still mainly focuses on fundamental investigations of electronic properties such as band structures. Intrinsic point defects, which are inevitable during material synthesis and operational environments, significantly influence the physical characteristics of materials and ultimately dictate device performance. In this work, we conduct an in-depth exploration of intrinsic point defects in the material. Using first-principles calculations based on density functional theory (DFT) and non-equilibrium Green’s function (NEGF) methods, we systematically investigate the structural, electronic, and optoelectronic properties of vacancies, antisites, and adatom point defects in Z-Bi2O2Se. First, the formation energy calculations under different growth conditions reveal that o'vacancy, Se replaced by O, Se adsorption on “Bi'-Bi'-Se” and “Bi-Bi-Se” hollow sites are relatively easy to form. The density of states (DOS) and formation energy shows that o'vacancy, Se adsorption on “Bi'-Bi'-Se” and “Bi-Bi-Se” hollow sites tend to lose electrons and become positively charged. Their donor levels are located at 0.78 eV, 0.01 eV, and 0.07 eV above the valence band maximum (VBM), but well below the conduction band minimum (CBM), indicating deep-level n-type doping characteristics. Furthermore, devices based on monolayer Z-Bi2O2Se along the parallel (Z//) direction and perpendicular (Z⊥) direction of the “zipper” structure are constructed to investigate the influence of intrinsic point defects on optoelectronic performance. The results show that for pristine materials, the photocurrent of Z⊥-perfect in the visible and ultraviolet regions is two orders of magnitude smaller than that of Z//-perfect, demonstrating significant anisotropy. The introduction of point defects reduces system’s symmetry, leading to a remarkable enhancement of photocurrent in both devices in these spectral regions. Notably, in the Z⊥ direction, the point defects induce the photocurrent to increase by three orders of magnitude. However, the photocurrent remains relatively small compared with that in Z// direction, indicating persistent anisotropy. The influence of point defects on the extinction ratio depends on both defect types and photon energy. By selecting specific point defects under irradiation at targeted photon energy, the polarization sensitivity of devices can be effectively improved. These findings provide theoretical guidance for deepening the understanding of the electronic structure and optoelectronic properties of two-dimensional Z-Bi2O2Se.
  • 加载中

  • 图 1  (a)块体 Bi2O2Se 的单胞结构; (b)单层 Z-Bi2O2Se 的侧视图及俯视图; (c)单层 Z-Bi2O2Se 的电子能带结构(蓝色为PBE方法); (d) Bi2O2Se 生长的化学势范围(黄色区域)

    Figure 1.  (a) Unit cell structure of bulk Bi2O2Se; (b) the side and top views of monolayer Z-Bi2O2Se; (c) the electronic energy bands of the monolayer Z-Bi2O2Se (bule represents PBE); (d) the chemical potentials range for the growth of Bi2O2Se (the yellow part).

    下载: 全尺寸图片 幻灯片

    图 2  (a)在不同生长环境P1—P5时, 单层 Z-Bi2O2Se 中点缺陷的形成能; (b)单层 Z-Bi2O2Se 中点缺陷OSe, $\rm V_{O'}$, $ \text{Se}_{\text{Bi}'\text{-Bi}'\text{-Se}}^{\text{H}} $和$ {\text{Se}}_{{\text{Bi-Bi-Se}}}^{\text{H}} $的结构图

    Figure 2.  (a) Formation energies of the point defects in monolayer Z-Bi2O2Se under different growth environments P1–P5; (b) the structures of the point defects OSe, $\rm V_{O'} $, $ \text{Se}_{\text{Bi}'\text{-Bi}'\text{-Se}}^{\text{H}} $ and $ {\text{Se}}_{{\text{Bi-Bi-Se}}}^{\text{H}} $ in monolayer Z-Bi2O2Se.

    下载: 全尺寸图片 幻灯片

    图 3  (a) Z-Bi2O2Se 完整体系与含 (b) OSe, (c) $\rm V_{O'} $, (d) $ \text{Se}_{\text{Bi}'\text{-Bi}'\text{-Se}}^{\text{H}} $, (e) $ {\text{Se}}_{{\text{Bi-Bi-Se}}}^{\text{H}} $ 点缺陷体系总态密度和投影态密度图, 插图为杂质态部分原子投影态密度

    Figure 3.  The TDOS and PDOS of (a) the perfect Z-Bi2O2Se and (b) OSe, (c) $\rm V_{O'} $, (d) $ \text{Se}_{\text{Bi}'\text{-Bi}'\text{-Se}}^{\text{H}}$, (e) $ {\text{Se}}_{{\text{Bi-Bi-Se}}}^{\text{H}} $ doped systems, and the insets are the enlarge views of the impurity states.

    下载: 全尺寸图片 幻灯片

    图 4  不同化学势条件(P1, P2, P3, P4, P5)下, 点缺陷OSe, $\rm V_{O'} $, $ \text{Se}_{\text{Bi}'\text{-Bi}'\text{-Se}}^{\text{H}} $和$ {\text{Se}}_{{\text{Bi-Bi-Se}}}^{\text{H}} $的形成能随费米能级的变化(将VBM处设置为零点, 线的斜率表示缺陷在该费米能级处的电荷态)

    Figure 4.  Formation energies of point defects (OSe, $\rm V_{O'} $, $ \text{Se}_{\text{Bi}'\text{-Bi}'\text{-Se}}^{\text{H}} $and $ {\text{Se}}_{{\text{Bi-Bi-Se}}}^{\text{H}} $) in Bi2O2Se are as a function of the Fermi level under different chemical potential conditions (P1–P5). For all cases, the VBM are set for zero. The slope of the lines gives the charge state at the Fermi level.

    下载: 全尺寸图片 幻灯片

    图 5  线偏振光照射下(a)单层 Z//-Bi2O2Se和(b)单层 Z⊥-Bi2O2Se 光电探测器结构示意图

    Figure 5.  Schematic structures of (a) monolayer Z//-Bi2O2Se and (b) monolayer Z⊥-Bi2O2Se photodetectors under the linearly polarized light.

    下载: 全尺寸图片 幻灯片

    图 6  基于单层 Z//-Bi2O2Se和 Z⊥-Bi2O2Se 完整结构和含点缺陷OSe, $\rm V_{O'} $, $ \text{Se}_{\text{Bi}'\text{-Bi}'\text{-Se}}^{\text{H}} $和$ {\text{Se}}_{{\text{Bi-Bi-Se}}}^{\text{H}} $的器件在θ = 0° 和 θ = 90° 线偏振光照射下的光电流(插图为低光子能量区域放大图)

    Figure 6.  Photocurrents functions of the devices based on perfect and OSe, $\rm V_{O'} $, $ \text{Se}_{\text{Bi}'\text{-Bi}'\text{-Se}}^{\text{H}} $, $ {\text{Se}}_{{\text{Bi-Bi-Se}}}^{\text{H}} $doped monolayer Z//-Bi2O2Se and Z⊥-Bi2O2Se under θ = 0° and θ = 90° linearly polarized light (the insets are the enlarged views of the low-photo-energy region).

    下载: 全尺寸图片 幻灯片

    图 7  单层 Z//-Bi2O2Se和 Z⊥-Bi2O2Se 完整结构和含点缺陷OSe, $\rm V_{O'} $, $ \text{Se}_{\text{Bi}'\text{-Bi}'\text{-Se}}^{\text{H}} $和$ {\text{Se}}_{{\text{Bi-Bi-Se}}}^{\text{H}} $器件在不同光子能量下的消光比

    Figure 7.  Extinction ratios of devices based on perfect and OSe, $\rm V_{O'} $, $ \text{Se}_{\text{Bi}'\text{-Bi}'\text{-Se}}^{\text{H}} $ and $ {\text{Se}}_{{\text{Bi-Bi-Se}}}^{\text{H}} $ doped monolayer Z//-Bi2O2Se and Z⊥-Bi2O2Se at different photon energies.

    下载: 全尺寸图片 幻灯片
    下载: 全尺寸图片 幻灯片

    表 1  图1(d)中5个临界点 P1—P5 对应的O, Se, Bi的化学势$ {\mu _\text{O}} $, $ {\mu _\text{Se}} $, $ {\mu _{{\text{Bi}}}} $(单位: eV)

    Table 1.  Chemical potentials of O, Se and Bi ($ {\mu _\text{O}} $, $ {\mu _\text{Se}} $, $ {\mu _{{\text{Bi}}}} $) corresponding to the five critical points P1–P5 in Fig. 1(d) (unit: eV).

    P1 P2 P3 P4 P5
    $ {\mu _\text{O}} $ –2.07 –2.16 –1.51 –1.44 –1.44
    $ {\mu _\text{Se}} $ –0.82 –0.64 0.00 0.00 –0.19
    $ {\mu _{{\text{Bi}}}} $ 0.00 0.00 –0.96 –1.04 –0.94
    下载: 导出CSV
  • [1] Wu J X, Yuan H T, Meng M M, et al. 2017 Nature Nanotech. 12 530 doi: 10.1038/nnano.2017.43
    [2] Fu H X, Wu J X, Peng H L, Yan B H 2018 Phys. Rev. B 95 241203 doi: 10.1103/PhysRevB.97.241203
    [3] Wang C, Ding G Q, Wu X M, Wei S S, Gao G Y 2018 New J. Phys. 20 123014 doi: 10.1088/1367-2630/aaf664
    [4] Jiang H T, Xu X, Fan C, Dai B B, Qi Z D, Jiang S, Cai M Q, Zhang Q L 2022 Chin. Phys. B 31 048102 doi: 10.1088/1674-1056/ac2b20
    [5] Li J, Wang Z X, Wen Y, Chu J, Yin L, Cheng R Q, Lei L, He P, Jiang C, Feng L P, He J 2018 Adv. Funct. Mater. 28 1706437 doi: 10.1002/adfm.201706437
    [6] Tong T, Chen Y F, Qin S C, et al. 2019 Adv. Funct. Mater. 29 1905806 doi: 10.1002/adfm.201905806
    [7] Liu B, Zhou H 2021 Chin. Phys. B 30 106803 doi: 10.1088/1674-1056/ac1571
    [8] Ding X, Li M L, Chen P, et al. 2022 Matter 5 4274 doi: 10.1016/j.matt.2022.11.005
    [9] Tippireddy S, Prem Kumar D S, Das S, Mallik R C 2021 ACS Appl. Energy Mater. 4 2022 doi: 10.1021/acsaem.0c02770
    [10] Wu J X, Tan C W, Tan Z J, Liu Y J, Yin J B, Dang W H, Wang M Z, Peng H L 2017 Nano. Lett. 17 3021 doi: 10.1021/acs.nanolett.7b00335
    [11] Liang Y, Chen Y J, Sun Y W, et al. 2019 Adv. Mater. 31 1901964 doi: 10.1002/adma.201901964
    [12] Wu J X, Qiu C G, Fu H X, et al. 2019 Nano. Lett. 19 197 doi: 10.1021/acs.nanolett.8b03696
    [13] Song Y K, Li Z J, Li H, et al. 2020 Nanotechnology 31 165704 doi: 10.1088/1361-6528/ab6686
    [14] Wang H, Zhang Z K, Luo H J, Zhang S Q, Pan W W, Liu J L, Ren Y L, Lei W 2024 Adv. Optical Mater. 12 2401404 doi: 10.1002/adom.202401404
    [15] Chen G X, Wu J, Wang B, Li J, Qi X 2020 Appl. Phys. A 126 579 doi: 10.1007/s00339-020-03759-0
    [16] Chen G X, Zhou Y, Zhang G B, Li J, Qi X 2021 Ceram. Int. 47 25255 doi: 10.1016/j.ceramint.2021.05.246
    [17] 李丹阳, 韩旭, 徐光远, 刘筱, 赵枭钧, 李庚伟, 郝会颖, 董敬敬, 刘昊, 邢杰 2020 物理学报 69 248502 doi: 10.7498/aps.69.20201044 Li D Y, Han X, Xu G Y, Liu X, Zhao X J, Li G W, Hao H Y, Dong J J, Liu H, Xing J 2020 Acta Phys. Sin. 69 248502 doi: 10.7498/aps.69.20201044
    [18] Khan U, Luo Y T, Tang L, Teng C J, Liu J M, Liu B L, Cheng H M 2019 Adv. Funct. Mater. 29 1807979 doi: 10.1002/adfm.201807979
    [19] Wang N, Li M L, Xiao H Y, Gong H F, Liu Z J, Zu X T, Qiao L 2019 Phys. Chem. Chem. Phys. 21 15097 doi: 10.1039/C9CP02204J
    [20] Tang H, Shi B W, Wang Y Y, Yang C, Liu S Q, Li Y, Quhe R G, Lu J 2021 Phys. Rev. Appl. 15 064037 doi: 10.1103/PhysRevApplied.15.064037
    [21] Pang Z Q, Li T 2021 J. Mech. Phys. Solids 157 104626 doi: 10.1016/j.jmps.2021.104626
    [22] Li J Q, Cheng C, Duan M Y 2023 Appl. Surf. Sci. 618 156541 doi: 10.1016/j.apsusc.2023.156541
    [23] Wei Q L, Li R P, Lin C Q, Han A, Nie A M, Li Y R, Li L J, Cheng Y C, Huang W 2019 ACS Nano. 13 13439 doi: 10.1021/acsnano.9b07000
    [24] Ge Z C, Zhao W, Yuan S F, Gao Z X, Hao C L, Ma H, Ren H, Guo W Y 2023 Appl. Surf. Sci. 611 155528 doi: 10.1016/j.apsusc.2022.155528
    [25] Lu S C, Li Y L, Zhao X 2023 Phys. Chem. Chem. Phys. 25 19167 doi: 10.1039/D3CP01446K
    [26] Hossain M T, Jena T, Debnath S, Giri P K 2023 J. Mater. Chem. C 11 6670 doi: 10.1039/D3TC01129A
    [27] Li H L, Xu X T, Zhang Y, Gillen R, Shi L P, Robertson J 2018 Sci. Rep. 8 10920 doi: 10.1038/s41598-018-29385-8
    [28] Wei Q L, Lin C Q, Li Y F, Zhang X Y, Zhang Q Y, Shen Q, Cheng Y C, Huang W 2018 J. Appl. Phys. 124 055701 doi: 10.1063/1.5040690
    [29] Wu Z, Wang Y, Liu G, Yang X, Wei T, Zhang H, Zhou J, Zhu J 2021 Mater. Today 21 100810 doi: 10.1016/j.mtener.2021.100810
    [30] Kresse G, Furthmüller J 1996 Comput. Mater. Sci. 6 15 doi: 10.1016/0927-0256(96)00008-0
    [31] Kresse G, Hafner J 1993 Phys. Rev. B 47 558 doi: 10.1103/PhysRevB.47.558
    [32] Kresse G, Furthmüller J 1996 Phys. Rev. B 54 11169 doi: 10.1103/PhysRevB.54.11169
    [33] Kresse G, Joubert D 1999 Phys. Rev. B 59 1758 doi: 10.1103/PhysRevB.59.1758
    [34] Perdew J P, Burke K, Ernzerhof M 1996 Phys. Rev. Lett. 77 3865 doi: 10.1103/PhysRevLett.77.3865
    [35] Freysoldt C, Grabowski B, Hickel T, Neugebauer J, Kresse G, Janotti A, Van de Walle C G 2014 Rev. Mod. Phys. 86 253 doi: 10.1103/RevModPhys.86.253
    [36] Kohn W, Sham L J 1965 Phys. Rev. 140 A1133 doi: 10.1103/PhysRev.140.A1133
    [37] Freysoldt C, Neugebauer J 2018 Phys. Rev. B 97 205425 doi: 10.1103/PhysRevB.97.205425
    [38] Freysoldt C, Neugebauer J, Van de Walle C G 2009 Phys. Rev. Lett. 102 016402 doi: 10.1103/PhysRevLett.102.016402
    [39] Xue L, Sun L Z, Hao G L, Zhou P, He C Y, Huang Z Y, Zhong J X 2014 RSC Adv. 4 10499 doi: 10.1039/c3ra46155f
    [40] Huang M L, Zheng Z N, Dai Z X, Guo X J, Wang S S, Jiang L L, Wei J C, Chen S Y 2022 J. Semicond. 43 042101 doi: 10.1088/1674-4926/43/4/042101
    [41] Fu Z T, Yan P L, Li J, Zhang S F, He C Y, Ouyang T, Zhang C X, Tang C, Zhong J X 2022 Nanoscale 14 11316 doi: 10.1039/D2NR00621A
    [42] Taylor J, Guo H, Wang J 2001 Phys. Rev. B 63 245407 doi: 10.1103/PhysRevB.63.245407
    [43] Zhang L, Gong K, Chen J Z, Liu L, Zhu Y, Xiao D, Guo H 2014 Phys. Rev. B 90 195428 doi: 10.1103/PhysRevB.90.195428
    [44] Chen J Z, Hu Y B, Guo H 2012 Phys. Rev. B 85 155441 doi: 10.1103/PhysRevB.85.155441
    [45] Chu F H, Chen M Y, Wang Y, Xie Y Q, Liu B Y, Yang Y H, An X T, Zhang Y Z 2018 J. Mater. Chem. C 6 2509 doi: 10.1039/C7TC05488B
    [46] Xie Y Q, Zhang L, Zhu Y, Liu L, Guo H 2015 Nanotechnology 26 455202 doi: 10.1088/0957-4484/26/45/455202
    [47] Xu Z H, Luo B, Chen M Y, Xie W Z, Hu Y B, Xiao X B 2021 Appl. Surf. Sci. 548 148751 doi: 10.1016/j.apsusc.2020.148751
    [48] Belinicher V I 1978 Phys. Lett. A 66 213 doi: 10.1016/0375-9601(78)90660-6
    [49] Zhang L W, Yang Y Q, Chen J, Zhang L 2023 Front. Phys. 18 62301 doi: 10.1007/s11467-023-1307-1
    [50] Luo Y Z, Xie Y Q, Zhao J, Hu Y B, Ye X, Ke S H 2021 Phys. Rev. Mater. 5 054004 doi: 10.1103/PhysRevMaterials.5.054004
    [51] Zhao J, Hu Y B, Xie Y Q, Zhang L, Wang Y 2020 Phys. Rev. Appl. 14 064003 doi: 10.1103/PhysRevApplied.14.064003
    [52] Sun X X, Yin S Q, Wei D, Li Y, Ma Y Q, Dai X Q 2023 Appl. Surf. Sci. 610 155401 doi: 10.1016/j.apsusc.2022.155401
  • 加载中
图( 8) 表( 1)
计量
  • 文章访问数:  20
  • HTML全文浏览数:  20
  • PDF下载数:  0
  • 施引文献:  0
出版历程
  • 收稿日期:  2024-12-09
  • 刊出日期:  2025-06-20

单层Z-Bi2O2Se本征点缺陷及光电性能

    通讯作者: E-mail: xuelin@tyut.edu.cn.
    作者简介: 郑世姣: m17835027869@163.com
  • 太原理工大学物理与光电工程学院, 太原　030024
  • 收稿日期:  2024-12-09

摘要: 采用基于密度泛函理论的第一性原理和非平衡格林函数方法, 系统研究了单层拉链型硒氧化铋(Z-Bi2O2Se)中空位、反位和吸附点缺陷的结构、电子和光电性质. 通过在不同生长环境下形成能的计算发现, 点缺陷O' 空位, O取代Se反位、Se 吸附Bi'-Bi'-Se和Bi-Bi-Se穴位相对容易形成; 电子态密度及形成能的计算结果显示, O' 空位、Se吸附Bi'-Bi'-Se和Bi-Bi-Se穴位属于深能级n型掺杂. 此外, 沿平行和垂直拉链方向分别构建了基于单层Z-Bi2O2Se的器件, 其光电性能表现出明显的各向异性. 点缺陷的引入降低了体系对称性, 使其光电流在可见光区和紫外光区显著增大, 各向异性仍然存在. 点缺陷对器件消光比的影响同时取决于点缺陷类型及光子能量, 通过选择点缺陷在特定光子能量的照射可以有效提高器件的偏振灵敏度. 本文研究结果对深入认识二维Bi2O2Se结构及其性能提供理论指导.

English Abstract

    全文HTML

    1.   引　言

    • 二维材料在电子和光电器件制造中具有广泛应用前景. 近年, 一类新型半导体层状材料硒氧化铋(Bi2O2Se)引起了科学界的极大兴趣[1–4]. 其具有随厚度变化的带隙、更优越的电子迁移率、与各种材料(包括金属、半导体和绝缘体)的兼容性以及在大气条件下的稳定性[5–7]. 更特殊的是, Bi2O2Se层间相互作用不同于传统二维材料的范德瓦耳斯力, 而是弱静电相互作用[8,9]. 二维Bi2O2Se在实验中通过化学气相沉积(chemical vapor deposition, CVD)方法、分子束外延(molecular beam epitaxy, MBE)方法和脉冲激光沉积(pulsed laser deposition, PLD)方法被成功制备, 并发现其在红外探测方面展现出优异性能[10–17]. 同时, Bi2O2Se 兼具出色的光学和电学特性, 特别是在特定波长下的高光学响应性, 使其成为开发下一代光电器件的理想候选材料[5,18].

      由于其层间独特的弱静电相互作用, 关于二维 Bi2O2Se 表面的解离方式尚存在不同理解. 目前研究较为广泛的策略是将二维 Bi2O2Se 材料的表面进行Se原子100%全覆盖. 理论研究中, 这种方法得到的二维结构在无杂质的情况下展现出与实验中半导体性质不相符的金属特性, 需要采用H钝化表面Se原子进行处理, 此种解离方式常记为H-Bi2O2Se[19–22]. 但是这种解离方式与实验明显不符, 主要体现在以下几点: 首先, 实验制备环境中并没有提供 H; 其次, 实验制备所得二维材料显示 Se 空位浓度可高达50%, 与H-Bi2O2Se模型中Se元素的高化学配比也不相符[23]. Wei等[23]提出了另一种化学元素符合配比, 表面Se原子 50%覆盖的二维Bi2O2Se拉链型模型, 记为Z-Bi2O2Se, 并证明了该模型的动力学和热力学稳定性. 在此基础上, Ge等[24]计算得出单层Z-Bi2O2Se带隙为1.64 eV(PBE泛函)和2.43 eV(HSE06泛函), 并对不同Se浓度表面覆盖(0%, 12.5%, 50%, 87.5%和100%)的单层Bi2O2Se 稳定性进行了系统研究, 结果表明Se浓度为50%的结构排列整齐, 而在其他Se 浓度下, 结构变形失去对称性. Lu等[25]通过改变单层 Bi2O2Se 上下表面 Se 原子链的排列, 开发了不对称的拉链模型, 使二维 Bi2O2Se在结构和光电性能方面的探索更为丰富和广阔.

      在半导体材料的制备和器件制造过程中, 本征点缺陷是不可避免的, 它们对材料的光学和电学性能产生至关重要的影响[26–29]. Hossain等[26]在实验中发现 Bi2O2Se 纳米片中存在如Se 空位, Bi反位缺陷等多种缺陷, 这些缺陷导致材料表现出负的持续光导效应; Li等[27]发现在块体Bi2O2Se中, VSe和VO是主要的缺陷, 它们作为浅供体, 解释了Bi2O2Se的n型电导率; Wu等[29]研究发现, 由于在生长过程中产生了大量的氧空位, Bi2O2Se纳米板表现出典型的半金属行为. 对于单层Z-Bi2O2Se, 其是否具有相同的点缺陷? 这些点缺陷对材料电子和光电性质又有何种影响? 相关研究对深入认识二维Z-Bi2O2Se至关重要.

      本文首先对单层Z-Bi2O2Se完整结构的电子性质进行研究, 在此基础上设计了空位、反位、吸附三类点缺陷, 通过对形成能的计算, 分析它们在不同化学势下形成的难易程度. 对于较容易形成的几种点缺陷, 研究了它们对材料电子性质的影响. 此外, 用完整及含点缺陷的单层Z-Bi2O2Se搭建器件, 通过线偏振光照射下光电流及消光比的计算, 研究不同点缺陷对材料光电性质的影响.

    2.   计算模型与方法

    • 单层Z-Bi2O2Se二维材料几何结构的确定、电子结构及其缺陷形成能计算采用基于密度泛函理论(density functional theory, DFT)的VASP(Vienna ab-initio simulation package )软件包[30–33]. 原子核与电子的相互作用通过投影缀加平面波(projector augmented wave, PAW)方法描述[33,34], 电子交换关联泛函采用基于广义梯度近似(generalized gradient approximation, GGA)的Perdewey-Burke-Ernzerhof (PBE)泛函[34]. 截断能为 500 eV, 对块体、单层Z-Bi2O2Se单胞分别采用9×9×3, 9×5×1的Monkhorst-Pack 网格进行不可约布里渊区采样. 能量收敛标准为每晶胞10–5 eV, 所有原子受力均小于0.01 eV/Å. 在形成能计算中, 选取均匀缩放的6×3×1超胞(Lx = Ly = Lz = 24.03 Å)进行总能的计算. z方向引入的真空层均大于15 Å, 以消除材料相邻层之间的相互作用.

      点缺陷形成能计算公式为[35]

      其中, ΔHf (α, q) 为材料点缺陷 α 在电荷态 q 下的形成能, E(α, q) 和 E(host) 分别为具有点缺陷的超胞在电荷态 q 和相同大小完整超胞的总能量; $ {n_i} $是缺陷体系中i类原子数的变化量, 当增加(减少)原子时, $ {n_i} $为正值(负值); $ E_{i} $是元素i在自然态纯固体/气体中的能量; $ {\mu _i} $是指元素i的化学势[36–38]; EVBM是完整超胞的价带顶(valence band maximum, VBM), EF表示相对于完整超胞VBM处的费米能级; 修正项E corr采用sxdefectalign2d编码计算, 包括电位校准项和静电校正项, 可 以使形成能计算在真空方向有效收敛[37–39]. 各元素化学势通过DASP(defect and dopant ab-initio simulation package)软件包计算[40], 计算分为两步: 首先为了生成 Bi2O2Se, 需要满足:

      其次, 避免生成单质和其他二次相, 需要满足:

      缺陷跃迁能级ε(q/q′)是指带电荷q的点缺陷的形成能等于另一个电荷q′的形成能时, (1)式中费米能级的位置, 用公式可表示为

      二维Bi2O2Se材料及其点缺陷结构的优化通过VASP软件完成, 其光电性能分析采用基于非平衡格林函数(non-equilibrium Green’s function, NEGF)和DFT的 Nanodcal软件包进行[38,41,42]. 在进行自洽和光电流计算时, 所用的K点为 1×9×1, 截断能设置为 80 Hartree, 计算温度定为100 K. 对于线偏振光, 当其照射器件时, 左侧的光电流$ J_{\text{L}}^{{\text{(ph)}}} $为[42–46]

      其中: e是电子电荷, h是普朗克常数, ΓL 为左电极与中心区耦合的线宽函数;

      其中, $ {f_{{\text{LR}}}} = f(E - {\mu _{{\text{LR}}}}) $为左/右电极的费米-狄拉克分布函数, $ {\mu _{{\text{L/R}}}} $为相关的化学势; $ {C_0} ={(e/{m_0})^2}\times \dfrac{{\hbar \sqrt {{\mu _{\text{r}}}{\varepsilon _{\text{r}}}} }}{{2 N\omega \varepsilon c}}{J_\omega } $, $ {m_0} $是光电子质量, $ {\mu _{\text{r}}} $是相对磁导率, $ {\varepsilon _{\text{r}}} $为相对介电常数, $ \varepsilon $和$ c $分别为介电常数和光速; $ {J_\omega } $是光通量(单位时间内通过单位面积的电子数), $ N $是光子数; $ G_{0}^{{\text{r/a}}} $($ G_0^{ > / < } $)为没有光子能量时的推迟/超前(大于/小于)格林函数; $ {p_\alpha } $和$ {p_\beta } $(α, β = x, y和z)是电子动量的笛卡尔分量; $ {e_{1\alpha }} $和$ {e_{2\beta }} $是单位向量e1和e2的笛卡尔分量(e1和e2在计算中沿z和y方向设置). 对于线偏振光, 光偏振矢量表示为$ e = \cos \theta {e_1} + \sin \theta {e_2} $, 其中θ为偏振角, 通常意义下, 归一化的光电流被简化为[46,47]

      式中, $ J_{\text{L}}^{{\text{(ph)}}} $为线偏振光照射器件时, 流入左电极的光电流; $ {R_{{\text{ph}}}} $的量纲为$ a_{0}^{2}{\text{/photon}} $; a0是玻尔半径.

    3.   计算结果与讨论

      3.1.   Z-Bi2O2Se 的电子结构及其生长条件

    • 如图1(a)所示, Bi2O2Se 块体结构具有非电中性层状晶体结构, 即带正电的$ \left[ {{\text{B}}{{\text{i}}_{2}}{{\text{O}}_{2}}} \right]_n^{2 n + } $层与带负电的$ \left[ {{\text{Se}}} \right]_n^{2 n - } $层在c轴上交替堆叠, 层间为弱静电相互作用, 晶格常数为a = b = 3.92 Å, c = 12.38 Å. 图1(b)为单层 Z-Bi2O2Se 结构的侧视图和俯视图, 单胞晶格常数a = 8.01 Å, b = 4.01 Å. 与体结构相比, 单层 Z-Bi2O2Se 对称性降低, 如图1(b)所示, Bi和O出现两个不等价位Bi, Bi'和O, O'. 单层Z-Bi2O2Se单胞的电子能带结构如图1(c)所示, PBE计算单层 Z-Bi2O2Se带隙为1.63 eV, 导带底(conduction band minimum, CBM)和VBM的位置均在高对称Γ点, 属于直接带隙, 与已有理论计算文献结论吻合(PBE: 1.64 eV[24]).

      通过(2)式—(4)式得到生长 Bi2O2Se 的化学势范围如图1(d)中由Bi2SeO5, Bi2O3, Bi2Se3, Bi和Se包围的黄色区域所示, P1—P5为5个临界点, 对应O, Se, Bi的化学势如表1所列. 其中P1和P2为富 Bi 生长环境($ {\mu _{{\text{Bi}}}} $= 0.00 eV), P3和P4为富Se生长环境($ \mu_{\rm Se} $= 0.00 eV).

      • 3.2.   单层Z-Bi2O2Se本征点缺陷形成能及电子性质

    • 为了研究本征点缺陷对单层Z-Bi2O2Se性能的影响, 我们构建了空位、反位和吸附3种类型的点缺陷. 鉴于Bi和Se原子具有较大的原子半径, 其间隙缺陷难以稳定存在, 在结构优化过程中, 这些缺陷均引发了显著的晶格畸变, 这一现象与文献[27,28]报道的块体材料中Bi, Se间隙难以形成的结论相一致. 而O间隙在P1—P5环境下形成能均大于2.6449 eV, 形成困难, 因此文中未对间隙缺陷做详细讨论. 在吸附点缺陷中, 考虑了3种不同位点: 顶位(top)、桥位(bridge)和穴位(hollow), 通过中性态(q = 0)形成能的计算分析它们在不同生长化学势下形成的难易程度, 并在图2(a)中给出各类缺陷中相对容易形成的缺陷类型和计算结果. 图中吸附类型中用上标T , B和H分别表示顶位、桥位和穴位吸附, 用下标表示吸附具体位置, 例如: $ {\text{Bi}}_{{\text{Se}}}^{\text{T}} $表示在Se原子的顶位吸附一个Bi原子, $ \text{Bi}_{{\text{Se-Se}}}^\text{B} $表示在两个Se原子间的桥位吸附一个 Bi原子, $ {\text{Se}}_{{\text{Bi-Bi-Se}}}^{\text{H}} $表示在两个Bi原子和Se原子之间的穴位吸附一个Se原子. 从结果可以看到, 在单层Z-Bi2O2Se 中, 所有点缺陷形成能都为正, 说明缺陷的形成都需要吸收能量. 在P1和P2生长环境下, 形成能最低的缺陷分别为O取代 Se($ {\text{O}_{{\text{Se}}}} $)(P1: 0.2945 eV)和O' 空位($\rm V_{O'} $)(P2: 0.5153 eV), 相对最容易形成. 在 P3和P4 生长环境下, Se吸附 Bi'-Bi'-Se穴位($ \text{Se}_{\text{Bi}'\text{-Bi}'\text{-Se}}^{\text{H}} $)形成能最低, 统一为0.1096 eV, 最容易形成. 其次是 Se吸附Bi-Bi-Se穴位($ {\text{Se}}_{{\text{Bi-Bi-Se}}}^{\text{H}} $), 形成能统一为 0.3872 eV. P5生长环境下, $ {\text{O}_{{\text{Se}}}} $ 和$ \text{Se}_{\text{Bi}'\text{-Bi}'\text{-Se}}^{\text{H}} $形成能分别为0.2945 eV和0.3038 eV, 较容易形成. 可以看到, 这种结构中, Se空位并不容易形成. 研究中选取$ {\text{O}_{{\text{Se}}}} $, $ \text{V}_{\text{O}'} $, $ \text{Se}_{\text{Bi}'\text{-Bi}'\text{-Se}}^{\text{H}} $ 和 $ {\text{Se}}_{{\text{Bi-Bi-Se}}}^{\text{H}} $四种缺陷进行进一步计算分析, 其结构示意图如图2(b)所示.

      为了研究这些缺陷对材料电子性能的影响, 分别计算了完整和点缺陷掺杂体系的总态密度(total density of states, TDOS)和投影态密度(projected density of states, PDOS), 如图3所示. 在单层 Z-Bi2O2Se 中, 如图3(a)所示, VBM主要由 Se, O, Bi 贡献, CBM主要由 Bi 贡献. 如图3(b)所示, OSe点缺陷没有在体系中引入电子和空穴, 这主要源于O和Se属同族元素, 具有相同化合价. 如图3(c)—(e) $\rm V_{O'}$, $ \text{Se}_{\text{Bi}'\text{-Bi}'\text{-Se}}^{\text{H}} $和 $ {\text{Se}}_{{\text{Bi-Bi-Se}}}^{\text{H}} $的分态密度所示, 在VBM都存在一个杂质态, 且被电子填充. 结合图2(b)和图3(c)—(e)的插图可以看到, $\rm V_{O'} $的杂质态主要来源于O空位附近的Bi29和Bi32原子. $ \text{Se}_{\text{Bi}'\text{-Bi}'\text{-Se}}^{\text{H}} $的杂质态主要来源于吸附的 Se37 原子和与之成键的 Se21 原子. 与 $ \text{Se}_{\text{Bi}'\text{-Bi}'\text{-Se}}^{\text{H}}$类似, $ {\text{Se}}_{{\text{Bi-Bi-Se}}}^{\text{H}} $杂质态主要由吸附的 Se37 原子和与之成键的 Se26 原子贡献. 此外由于$\rm V_{O'} $, $ \text{Se}_{\text{Bi}'\text{-Bi}'\text{-Se}}^{\text{H}} $和$ {\text{Se}}_{{\text{Bi-Bi-Se}}}^{\text{H}} $缺陷的引入, 体系带隙与完整结构相比, 出现不同程度减小. 完整结构带隙为1.62 eV, 而$\rm V_{O'} $, $ \text{Se}_{\text{Bi}'\text{-Bi}'\text{-Se}}^{\text{H}} $和$ {\text{Se}}_{{\text{Bi-Bi-Se}}}^{\text{H}} $带隙分别为1.36 eV, 1.45 eV和1.23 eV.

      为了深入探究这些点缺陷对材料电子性能的影响, 对于OSe, $\rm V_{O'}$, $ \text{Se}_{\text{Bi}'\text{-Bi}'\text{-Se}}^{\text{H}}$和 $ {\text{Se}}_{{\text{Bi-Bi-Se}}}^{\text{H}} $缺陷, 计算它们在不同化学势下体系带电时形成能随 费米能级的变化, 如图4所示. 可以看到, 费米能级从VBM移动到CBM, 本征点缺陷OSe的电荷态都为0, 没有在体系中引入电子和空穴, 这与图3(b)态密度结果相吻合. 本征点缺陷$\rm V_{O'} $的电荷态依次为2+, 0, 属于施主, 施主能级位于ε(2+/0) = 0.78 eV处. $\text{Se}_{\text{Bi}'\text{-Bi}'\text{-Se}}^{\text{H}}$和$ {\text{Se}}_{{\text{Bi-Bi-Se}}}^{\text{H}} $电荷态都依次为1+, 0, 属于单施主, 施主能级分别位于ε(1+/0) = 0.01 eV, ε(1+/0) = 0.07 eV 处. 结合图3态密度以及缺陷跃迁能级, 可以说明$\rm V_{O'} $, $ \text{Se}_{\text{Bi}'\text{-Bi}'\text{-Se}}^{\text{H}} $ 和 $ {\text{Se}}_{{\text{Bi-Bi-Se}}}^{\text{H}} $为n型掺杂, 且杂质能级较深, 这不同于实验中本征缺陷表现出的浅能级n型特性.

      • 3.3.   本征点缺陷对单层 Z-Bi2O2Se 光电性质的影响

    • 如图5所示, 基于完整和含点缺陷OSe, $\rm V_{O'} $, $\text{Se}_{\text{Bi}'\text{-Bi}'\text{-Se}}^{\text{H}}$和$ {\text{Se}}_{{\text{Bi-Bi-Se}}}^{\text{H}} $的单层 Z-Bi2O2Se二维材料, 我们构建了双探头光电器件, 研究不同缺陷在不同光子能量线偏振光照射下对器件光电性能的影响. 器件由三部分组成: 左、右电极和中心区域, 左、右电极沿传输方向z延伸到 ±∞, x方向上增大15 Å的真空层. 中心区域被光照射, 包括中心散射区和缓冲层, 光电流沿z方向流动. 线偏振光沿x轴负方向垂直入射, 光照方向相对于z方向的偏振角度为θ, 光子能量 Eph (Eph = ħω)范围为1.0—4.0 eV, 包括红外(infrared, IR)光子(Eph $ \leqslant $ 1.63 eV)、可见(visible)光子(1.63 eV < Eph < 3.17 eV)和紫外(ultraviolet, UV)光子(Eph $ \geqslant $ 3.17 eV). 光电流的正负表示光电流的方向: 当光电流从电极流向中心区时为正值, 当光电流从中心区流向电极时为负值[48,49]. 由于单层Z-Bi2O2Se在G-X和 G-Y两个方向的不对称性, 研究中分别搭建了输运方向平行(Z//-Bi2O2Se, 简写为Z//)和垂直于拉链方向(Z⊥-Bi2O2Se, 简写为Z⊥)的两种器件, 如图5(a), (b)所示, 研究其光电性能各向异性.

      在θ = 0°和θ = 90°时, Z//和 Z⊥完整材料和含点缺陷器件在不同光子能量线偏振光照射下产生的光电流如图6所示. 对于单层完整 Z-Bi2O2Se, 如图6(a), (f)所示, Z//-perfect和Z⊥-perfect在光子能量位于红外光区时光电流近似为0. 这主要是由体系的带隙导致的, 当光子能量小于带隙时, 不足以让VBM处的电子越过带隙到达CBM产生光电流. 随着光子能量的增大, 器件在可见光区和紫外光区产生光电流. 单层Z//-perfect在 Eph = 2.1 eV 时达到可见光区峰值约为 0.053 $ a_{0}^{2}{\text{/photon}} $(θ = 0°), 在 Eph = 3.2 eV 时达到紫外光区峰值约为0.262 $ a_{0}^{2}{\text{/photon}} $(θ = 0°). 而对于单层 Z⊥-perfect, 可见光区和紫外光区的光电流峰值分别为–0.0002 $ a_{0}^{2}{\text{/photon}} (E_{\rm ph} = 2.9\;{\rm eV},\, \theta = 90^\circ)$和$-0.0005 a_{0}^{2}{\text{/photon}} $ (Eph = 3.6 eV, θ = 0°), 比Z//-perfect的光电流峰值小了两个数量级, Z-Bi2O2Se结构在平行和垂 直于拉链方向表现出明显的各向异性, 根据文 献[50,51]的研究, 这可能由于器件Z⊥-perfect在输运方向具有镜面对称导致更高对称性引起的.

      点缺陷的引入降低了体系的对称性, 对于$\rm V_{O'} $, $ \text{Se}_{\text{Bi}'\text{-Bi}'\text{-Se}}^{\text{H}} $, $ {\text{Se}}_{{\text{Bi-Bi-Se}}}^{\text{H}} $缺陷, 体系带隙还出现不同 程度减小. 个别掺杂后的Z//和Z⊥体系, 如$ {{\text{Z}}_{//}}\text{-} {\rm Se}_{{\text{Bi-Bi-Se}}}^{\text{H}} $, $ \text{Z}_\bot\text{-V}_{\text{O}'} $, $ {{\text{Z}}_\bot }\text{-Se}_{\text{Bi}'\text{-Bi}'\text{-Se}}^{\text{H}} $和$ {{\text{Z}}_ \bot }{\text{-Se}}_\text{Bi-Bi-Se}^{\text{H}} $, 如 图6(e), (h), (i), (j), 在红外光区域Eph = 1.6 eV处分别产生 –0.083 (θ = 0°), –0.008 (θ = 0°), 0.178(θ = 0°), 0.013(θ = 0°) $ a_{0}^{2}{\text{/photon}} $的光电流. 在可见光区和紫外光区, 点缺陷体系的光电流明显增大. 在 Z//中, 如图6(b)—(e)所示, 含OSe, $\rm V_{O'} $, $ \text{Se}_{\text{Bi}'\text{-Bi}'\text{-Se}}^{\text{H}} $, $ {\text{Se}}_{{\text{Bi-Bi-Se}}}^{\text{H}} $和点缺陷的器件在可见光区光电流最大峰值分别为–5.748(θ = 90°), 5.285(θ = 90°), –7.015(θ = 90°)和–4.649(θ = 90°) $ a_{0}^{2}{\text{/photon}} $, 是完整材料在可见光区最大峰值的约125, 110, 150和100倍; 在紫外区的光电流最大峰值分别为–9.401 (θ = 90°), 20.187 (θ = 90°), –42.496 (θ = 0°)和–12.583(θ = 90°) $ a_{0}^{2}{\text{/photon}} $, 约达到完整材料紫外光区最大峰值的35, 77, 162和48倍, 根据光学伽伐尼效应[46,47], 此现象是点缺陷的引入使得单层结构对称性降低所导致的. 注意到在Z⊥中, 点缺陷降低体系对称性后, 光电流出现103数量级倍数的增长, 如图6(g)—(j)所示, 含OSe, $\rm V_{O'}$, $ \text{Se}_{\text{Bi}'\text{-Bi}'\text{-Se}}^{\text{H}} $和$ {\text{Se}}_{{\text{Bi-Bi-Se}}}^{\text{H}} $ 点缺陷的器件在可见光区光电流最大峰值分别为6.246(θ = 0°), –0.998(θ = 90°), 3.718(θ = 0°)和3.096(θ = 90°) $ a_{0}^{2}{\text{/photon}} $, 在紫外区的光电流最大峰值分别为1.195(θ = 0°), 0.645(θ = 0°), 5.499(θ = 0°)和–4.028(θ = 90°) $ a_{0}^{2}{\text{/photon}} $. 但是与Z//对比光电流偏小, 点缺陷掺杂后的 Z-Bi2O2Se 结构在平行和垂直于拉链方向也存在各向异性.

      消光比(extinction ratio, ER), 又称偏振灵敏度, 是衡量光电探测器性能的重要参数[45,47], 定义为 Rph(θ = 0°)/Rph(θ = 90°)或 Rph(θ = 90°)/Rph(θ = 0°), 其中 Rph(θ = 0°)和 Rph(θ = 90°)分别为偏振角度θ = 0°和θ = 90°的光电流. Z// 和Z⊥完整材料(Z//-perfect和Z⊥-perfect)和含不同点缺陷器件在不同光子能量下的消光比如图7所示. 如图7(a)所示, Z//的 ER在Eph = 1.8 eV时, Rph(θ = 90°)/Rph(θ = 0°)可以达到 55.18; 对于点缺陷掺杂后的Z//-OSe, Z//-$\rm V_{O'} $, $ {{\text{Z}}_{//}}\text{-Se}_{\text{Bi}'\text{-Bi}'\text{-Se}}^{\text{H}} $和$ {{\text{Z}}_{//}}{\text{-Se}}_{{\text{Bi-Bi-Se}}}^{\text{H}} $器件, 如图7(b)—(e), 最大的ER分别在Eph = 2.2 eV(Rph(θ = 0°)/Rph(θ = 90°) = 117.87), Eph = 3.9 eV(Rph(θ = 90°)/Rph(θ = 0°) = 406.43), Eph = 3.9 eV(Rph(θ = 90°)/Rph(θ = 0°) = 34.11), Eph = 1.8 eV(Rph(θ = 0°)/Rph(θ = 90°) = 25.73)时达到最大, 与完整材料相比, Z//-OSe, Z//-$\rm V_{O'} $有所增大而$ {{\text{Z}}_{//}}\text{-Se}_{\text{Bi}'\text{-Bi}'\text{-Se}}^{\text{H}}$和$ {{\text{Z}}_{//}}{\text{ - Se}}_{{\text{Bi-Bi-Se}}}^{\text{H}} $有所降低. 而对于单层Z⊥点缺陷器件, 单层 Z⊥-perfect在Eph = 1.7 eV的ER为Rph(θ = 0°)/Rph(θ = 90°) = 72.91, 超过了完整二维WSe2光电子纳米器件的最大消光比(66.18)[52]. 点缺陷掺杂后的ER最大值都出现不同程度的增大, 其中, $ {{\text{Z}}_ \bot }{\text{-}}{{\text{O}}_{{\text{Se}}}} $和$ {{\text{Z}}_ \bot } \text{-V}_{\rm O'} $掺杂后, 器件ER最大值分别在Eph = 2.9 eV和 Eph = 3.0 eV处提升至Rph(θ = 90°)/Rph(θ = 0°)=112.84和Rph(θ = 90°)/Rph(θ = 0°) = 244.21. $ {{\text{Z}}_ \bot }{\text{-Se}}_{{\text{Bi-Bi-Se}}}^{\text{H}} $最大ER为Rph(θ = 0°)/Rph(θ = 90°)= 324.68, 约为$ {{\text{Z}}_{//}}{\text{-Se}}_{{\text{Bi-Bi-Se}}}^{\text{H}} $的10倍. $ {{\text{Z}}_ \bot }\text{-Se}_{\text{Bi}'\text{-Bi}'\text{-Se}}^{\text{H}} $的ER最为突出, 如图7(i)所示, 在 Eph = 2.6 eV 时, Rph(θ = 0°)/Rph(θ = 90°)可以达到 1027.51. 这主要是由于θ = 90°时, 其光电流过小(0.0012 $ a_{0}^{2}{\text{/photon}} $)引起的, 消光比超过含W空位点缺陷的二维WSe2光电子纳米器件的最大消光比(313.63)[52]. 上述结果表明, 点缺陷对器件消光比的影响比较复杂, 同时取决于点缺陷类型及光子能量, 通过选择点缺陷在特定光子能量的照射可以有效提高器件的偏振灵敏度.

    4.   结　论

    • 为了深入研究二维 Z-Bi2O2Se 中的点缺陷及其光电性质, 本文采用第一性原理计算和非平衡格林函数方法, 探究了在不同生长环境下, 单层 Z-Bi2O2Se完整结构及空位、反位、吸附三类点缺 陷形成的难易程度, 选取较容易形成结构, 研究了它们的电子性质及其对体系光电性能的影响. 结果表明, 在单层Z-Bi2O2Se 中, OSe, $\rm V_{O'} $, $ \text{Se}_{\text{Bi}'\text{-Bi}'\text{-Se}}^{\text{H}} $和 $ {\text{Se}}_{{\text{Bi-Bi-Se}}}^{\text{H}} $结构较容易形成, 其中, $\rm V_{O'} $, $ \text{Se}_{\text{Bi}'\text{-Bi}'\text{-Se}}^{\text{H}} $ 与 $ {\text{Se}}_{{\text{Bi-Bi-Se}}}^{\text{H}} $属于深能级n型掺杂. 此外, 对不同方向的Z-Bi2O2Se基光电器件研究指出, 单层 Z-Bi2O2Se 在平行和垂直于拉链方向表现出明显的各向异性. 点缺陷的引入降低了体系的对称性, 极大地增大了器件可见光区和紫外光区的光电流. 同时, 点缺陷对器件消光比的影响同时取决于点缺陷类型及光子能量, 通过选择点缺陷在特定光子能量的照射可以有效地提高器件的偏振灵敏度.

      感谢鸿之微科技公司提供的计算服务.

    参考文献 (52)

目录

/

返回文章
返回