應(yīng)力對GaS光學(xué)性質(zhì)的調(diào)控作用

應(yīng)力對GaS光學(xué)性質(zhì)的調(diào)控作用打開文本圖片集基于密度泛函理論的第一性原理方法，分析了應(yīng)力對其電子結(jié)構(gòu)和光學(xué)性質(zhì)的影響。在能帶計(jì)算的基礎(chǔ)上，計(jì)算單層GaS的介電函數(shù)虛部及實(shí)部，并導(dǎo)出在改變應(yīng)力后GaS的能量吸收譜、反射率和折射率，通過計(jì)算分析GaS的各項(xiàng)光學(xué)性質(zhì)，GaS在施加壓縮應(yīng)力時(shí)帶隙變寬，對可見光的吸收作用增強(qiáng)，施加拉伸應(yīng)力時(shí)帶隙變窄，對可見光的吸收作用減弱，壓應(yīng)力和拉伸應(yīng)力對可見光的吸收、反射和折射造成顯著影響。光能利用是解決能源短缺和環(huán)境污染問題提供了一條重要途徑。通過多年的發(fā)展硫族化合物作為光學(xué)材料有突破性的研究成果，硫化鎵作為其中一種過渡金屬硫化物，GaS具有特殊的結(jié)構(gòu)和電子特性而受到研究者的關(guān)注，通過計(jì)算得到二維GaS為間接帶隙半導(dǎo)體，禁帶寬度為2.7333eV,本文主要通過改變應(yīng)力的方式，在壓縮8%和拉伸8%范圍內(nèi)詳細(xì)討論了應(yīng)力對二維GaS的介電性質(zhì)、吸收系數(shù)、反射率、折射率和消光系數(shù)的影響，在此基礎(chǔ)上，進(jìn)一步研究了應(yīng)力對二維GaS光學(xué)性質(zhì)的調(diào)控作用。計(jì)算方法本文基于第一性原理密度泛函理論方法，利用Viennaabinitiosimulationpackage(VASP)進(jìn)行計(jì)算。采用綴加投影、波方法(projector-augmentedwavemethod，PAW)描述離子實(shí)和價(jià)電子之間的相互作用，為了得到更為精確的帶隙值，采用Heyd-Scuseria-Emzerhof(HSE06)雜化泛函計(jì)算了能帶結(jié)構(gòu)。計(jì)算中平面波截?cái)嗄茉O(shè)置為700eV,經(jīng)測試能足夠達(dá)到收斂。采用Monkorst-Park對布里淵區(qū)積分K點(diǎn)進(jìn)行取樣，幾何優(yōu)化K點(diǎn)網(wǎng)格為3x3x1，電子結(jié)構(gòu)和光學(xué)性質(zhì)計(jì)算采用更為精細(xì)的13x13x1的K點(diǎn)網(wǎng)格。結(jié)構(gòu)優(yōu)化過程中，原子進(jìn)行完全弛豫，自洽能量的收斂標(biāo)準(zhǔn)為10_6eV，結(jié)構(gòu)優(yōu)化力的收斂標(biāo)準(zhǔn)為-0.001eV?nm-1。為了消除層之間的相互作用，Z軸方向設(shè)立了30nm的真空層。結(jié)構(gòu)模型優(yōu)化后的二維GaS結(jié)構(gòu)的晶格常數(shù)為2.412nm，鍵長dGa-s為2.*****nm，鍵角0Ga-s-Ga為39.36°。二維GaS包含4個(gè)原子層，Ga原子層被兩個(gè)S原子層夾在中間，S-Ga-Ga-S四個(gè)原子層堆疊形成層狀結(jié)構(gòu)。能帶結(jié)構(gòu)應(yīng)力的改變可以使二維GaS中原子鍵能、晶格參數(shù)以及原子間雜化作用發(fā)生變化，從而改變二維GaS帶隙值，圖2為二維GaS改變應(yīng)力的能帶結(jié)構(gòu)圖。圖（c）可以看出本征GaS禁帶寬度為2.7333eV的間接帶隙，應(yīng)力的作用改變了二維GaS結(jié)構(gòu)的共價(jià)鍵長度和電子間的雜化作用，使帶隙發(fā)生改變，圖中（a）帶隙增加0.5252eV、圖（b）帶隙增加0.4811eV、圖（d）帶隙減小了0.8751eV、圖（e）帶隙減小了1.1501eV。可見，應(yīng)力由壓縮8%到拉伸8%時(shí)，禁帶寬度改變顯著，所以應(yīng)力的改變必然會影響其光學(xué)性質(zhì)。光學(xué)性質(zhì)根據(jù)能帶計(jì)算結(jié)果，可以進(jìn)一步討論二維GaS的光學(xué)性質(zhì)。介電函數(shù)￡（3）是一個(gè)虛數(shù)，其中虛數(shù)由實(shí)部￡1（3）和虛部￡2（3）組成：5應(yīng)力作用下二維GaS的光學(xué)性質(zhì)體系的能量吸收譜L（3）、折射率n（3）和反射率R（3）的色散關(guān)系都可以通過對介電函數(shù)實(shí)部￡1（3）與虛部￡2（3）的計(jì)算得到。我們計(jì)算本征GaS半導(dǎo)體的上述光學(xué)性質(zhì)，這里主要考慮入射光垂直和平行于c軸方向的情況。圖1給出了單層GaS的能量吸收譜，在可見光（1.64?3.19eV范圍內(nèi)）的吸收作用，計(jì)算分析得出與未施加壓縮應(yīng)力（c）相比，如圖1（d）、（e）中對光吸收效率增強(qiáng)，施加應(yīng)力拉伸時(shí)，如（a）、（b）中對光吸收效率減弱，（與（的圖像在可見光范圍內(nèi)基本一致，相較于文獻(xiàn)中材料的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，我們計(jì)算得出的結(jié)果峰值更高些。應(yīng)力對單層GaS的吸收譜曲線產(chǎn)生更大的波動，峰的高能量波動較大，施加應(yīng)力可改變單層GaS的能量吸收效率。二維GaS的其它光學(xué)性質(zhì)（折射率、反射率等）在圖2、3中給出。圖2是本征二維GaS材料反射系：數(shù)R（3）的曲線，反射曲線在6.197eV處有一個(gè)低谷，峰值位置出現(xiàn)在8.875eV處。由圖可看出當(dāng)施加壓縮應(yīng)力時(shí)低谷和峰值上移，施加拉伸應(yīng)力時(shí)則剛好相反，在可見光波段內(nèi)本征GaS的反射率曲線維持在0.2?0.4左右，說明二維GaS能夠反射約20%?40%入射光，體現(xiàn)出金屬光澤。而本征GaS薄膜的R//（的可見光波段值約為0.02?0.06，光吸收加強(qiáng)則呈現(xiàn)出暗淡無金屬光澤。圖6給出二維GaS材料的折射率曲線，二維GaS材料折射率曲線形態(tài)上較為相近，然而數(shù)值上卻差距較大。二維GaS的n〃（曲線在可見光范圍內(nèi)維持在1.3左右，和水的折射率1.33相近，當(dāng)施加壓縮應(yīng)力時(shí)（a）、（b）中單層GaS的增大并維持在2.0左右，變得更加透明，當(dāng)施加拉伸應(yīng)力時(shí)（c）、（d）中GaS的n〃（減小并維持在0.08左右，說明獨(dú)立單層GaS薄片應(yīng)是透明的?；诿芏确汉碚摰牡谝恍栽矸椒ǎ?jì)算了在不同應(yīng)力作用下的二維GaS能帶結(jié)構(gòu)和光學(xué)性質(zhì)，并將二維GaS的介電函數(shù)、能量吸收譜、吸收系數(shù)及反射率等光學(xué)性質(zhì)進(jìn)行對比，結(jié)果表明本征GaS為間接帶隙，禁帶寬度為2.733eV,當(dāng)應(yīng)力處于壓縮并逐漸增大時(shí)，GaS的帶隙變寬，并且對可見光的吸