应力对GaS光学性质的调控作用

应力对GaS光学性质的调控作用打开文本图片集基于密度泛函理论的第一性原理方法，分析了应力对其电子结构和光学性质的影响。在能带计算的基础上，计算单层GaS的介电函数虚部及实部，并导出在改变应力后GaS的能量吸收谱、反射率和折射率，通过计算分析GaS的各项光学性质，GaS在施加压缩应力时带隙变宽，对可见光的吸收作用增强，施加拉伸应力时带隙变窄，对可见光的吸收作用减弱，压应力和拉伸应力对可见光的吸收、反射和折射造成显著影响。光能利用是解决能源短缺和环境污染问题提供了一条重要途径。通过多年的发展硫族化合物作为光学材料有突破性的研究成果，硫化镓作为其中一种过渡金属硫化物，GaS具有特殊的结构和电子特性而受到研究者的关注，通过计算得到二维GaS为间接带隙半导体，禁带宽度为2.7333eV,本文主要通过改变应力的方式，在压缩8%和拉伸8%范围内详细讨论了应力对二维GaS的介电性质、吸收系数、反射率、折射率和消光系数的影响，在此基础上，进一步研究了应力对二维GaS光学性质的调控作用。计算方法本文基于第一性原理密度泛函理论方法，利用Viennaabinitiosimulationpackage(VASP)进行计算。采用缀加投影、波方法(projector-augmentedwavemethod，PAW)描述離子实和价电子之间的相互作用，为了得到更为精确的带隙值，采用Heyd-Scuseria-Emzerhof(HSE06)杂化泛函计算了能带结构。计算中平面波截断能设置为700eV,经测试能足够达到收敛。采用Monkorst-Park对布里渊区积分K点进行取样，几何优化K点网格为3x3x1，电子结构和光学性质计算采用更为精细的13x13x1的K点网格。结构优化过程中，原子进行完全弛豫，自洽能量的收敛标准为10_6eV，结构优化力的收敛标准为-0.001eV・nm-1。为了消除层之间的相互作用，Z轴方向设立了30nm的真空层。结构模型优化后的二维GaS结构的晶格常数为2.412nm，键长dGa-s为2.*****nm，键角0Ga-s-Ga为39.36°。二维GaS包含4个原子层，Ga原子层被两个S原子层夹在中间，S-Ga-Ga-S四个原子层堆叠形成层状结构。能带结构应力的改变可以使二维GaS中原子键能、晶格参数以及原子间杂化作用发生变化，从而改变二维GaS带隙值，图2为二维GaS改变应力的能带结构图。图（c）可以看出本征GaS禁带宽度为2.7333eV的间接带隙，应力的作用改变了二维GaS结构的共价键长度和电子间的杂化作用，使带隙发生改变，图中（a）带隙增加0.5252eV、图（b）带隙增加0.4811eV、图（d）带隙减小了0.8751eV、图（e）带隙减小了1.1501eV。可见，应力由压缩8%到拉伸8%时，禁带宽度改变显著，所以应力的改变必然会影响其光学性质。光学性质根据能带计算结果，可以进一步讨论二维GaS的光学性质。介电函数£（3）是一个虚数，其中虚数由实部£1（3）和虚部£2（3）组成：5应力作用下二维GaS的光学性质体系的能量吸收谱L（3）、折射率n（3）和反射率R（3）的色散关系都可以通过对介电函数实部£1（3）与虚部£2（3）的计算得到。我们计算本征GaS半导体的上述光学性质，这里主要考虑入射光垂直和平行于c轴方向的情况。图1给出了单层GaS的能量吸收谱，在可见光（1.64〜3.19eV范围内）的吸收作用，计算分析得出与未施加压缩应力（c）相比，如图1（d）、（e）中对光吸收效率增强，施加应力拉伸时，如（a）、（b）中对光吸收效率减弱，（与（的图像在可见光范围内基本一致，相较于文献中材料的实验结果，我们计算得出的结果峰值更高些。应力对单层GaS的吸收谱曲线产生更大的波动，峰的高能量波动较大，施加应力可改变单层GaS的能量吸收效率。二维GaS的其它光学性质（折射率、反射率等）在图2、3中给出。图2是本征二维GaS材料反射系：数R（3）的曲线，反射曲线在6.197eV处有一个低谷，峰值位置出现在8.875eV处。由图可看出当施加压缩应力时低谷和峰值上移，施加拉伸应力时则刚好相反，在可见光波段内本征GaS的反射率曲线维持在0.2〜0.4左右，说明二维GaS能够反射约20%〜40%入射光，体现出金属光泽。而本征GaS薄膜的R//（的可见光波段值约为0.02〜0.06，光吸收加强则呈现出暗淡无金属光泽。图6给出二维GaS材料的折射率曲线，二维GaS材料折射率曲线形态上较为相近，然而数值上却差距较大。二维GaS的n〃（曲线在可见光范围内维持在1.3左右，和水的折射率1.33相近，当施加压缩应力时（a）、（b）中单层GaS的增大并维持在2.0左右，变得更加透明，当施加拉伸应力时（c）、（d）中GaS的n〃（减小并维持在0.08左右，说明独立单层GaS薄片应是透明的。基于密度泛函理论的第一性原理方法，计算了在不同应力作用下的二维GaS能带结构和光学性质，并将二维GaS的介电函数、能量吸收谱、吸收系数及反射率等光学性质进行对比，结果表明本征GaS为间接带隙，禁带宽度为2.733eV,当应力处于压缩并逐渐增大时，GaS的带隙变宽，并且对可见光的吸