[论文解读] Band gap engineering of PtSe2

Zhishuo Huang, Wenxu Zhang+1 more|arXiv (Cornell University)|May 27, 2016

2D Materials and Applications参考文献 39被引用 25

一句话总结

本研究证明，通过改变层数或施加面内应变，可有效调控PtSe2的带隙，主要机制是范德华相互作用引起的应变和电荷密度重分布。单层PtSe2的带隙从1.2 eV减小至五层结构的0.5 eV，当应变足够大时，可能实现半导体-金属转变，这是由于轨道杂化变化驱动导带和价带边发生位移所致。

ABSTRACT

Besides its predicted promising high electron mobilities at room temperature, PtSe2 bandgap sensitively depends on the number of monolayers combined by van der Waals interaction according to our calculations. We understand this by using bandstructure calculations based on the density functional theory. It was found that the front orbitals of VBM and CBM are contributed mainly from pz and px+y orbitals of Se which are sensitive to the out-plane and in-plane lattice constants, respectively. The van der Waals force enhances the bonding out-of-plane, which in-turn influences the bonding in-plane. We found that the thickness dependent bandgap has the same origin as the strain dependent bandgap, which is from the change of the front orbital interactions. The work shows the flexibilities of tuning the electronic and optical properties of this compound in a wide range.

研究动机与目标

• 研究PtSe2的带隙随层数增加如何演变，其机制源于层间范德华相互作用。
• 理解少层PtSe2中带隙减小的电子起源，特别是轨道杂化和电荷重分布的作用。
• 探讨通过面内应变工程诱导PtSe2发生半导体-金属转变的可行性。
• 将结构应变（面内与面外）与能带结构及有效质量的变化相关联。
• 建立统一机制，阐明PtSe2中层数依赖与应变依赖的带隙调控关系。

提出的方法

• 采用PBE+vdW泛函的密度泛函理论（DFT）计算，以包含范德华相互作用。
• 使用平面波赝势代码（PWscf）进行全结构弛豫，总能量收敛标准设为10⁻⁹ Hartree。
• 2D结构和体材料结构分别采用13×13×1和13×13×8的k点网格，使用50 a.u.的真空间距以模拟二维行为。
• 通过电荷密度等值面和轨道分析，追踪层间Se p轨道与Pt d轨道之间的电子重分布。
• 施加均匀的面内应变，以模拟电子性质的机械调控。
• 使用FPLO全势线性化缀面波方法对结果进行交叉验证，确保在相近精度水平下的一致性。

实验结果

研究问题

• RQ1 PtSe2的带隙如何随层数增加而变化，其内在机制是什么？
• RQ2 范德华力在诱导应变并改变少层PtSe2电子结构方面起什么作用？
• RQ3 面内应变能否诱导PtSe2发生半导体-金属转变，其效果与层数变化相比如何？
• RQ4 PtSe2中电子和空穴的有效质量如何随层数和施加应变而变化？
• RQ5 从轨道杂化和电荷重分布的角度看，带隙减小的根源是什么？

主要发现

• 由于层间范德华相互作用，PtSe2的带隙从单层的1.2 eV减小至五层结构的0.5 eV。
• 范德华力诱导了正的面内应变（面内晶格常数a增大）和负的面外应变（层间距减小），从而改变轨道杂化。
• 导带最小值（CBM）主要由Se pₓ₊ᵧ和Pt dₓz+yz轨道组成，在层间相互作用下能量降低（稳定化）。
• 价带最大值（VBM）主要由Se p_z轨道主导，由于面外成键减弱，其能量升高（不稳定化），导致带隙减小。
• 在五层PtSe2中，当面内应变达到约4%时，预测将发生半导体-金属转变，此时VBM从Γ附近的Q₂ᵥ点移动至Γ点。
• 随着面内应变增加，电子和空穴的有效质量均减小，但双层PtSe2中的空穴表现出初始随层数增加而增大的趋势。