2023年1月25日，化学一区顶刊Applied Surface Science在线发表了四川师范大学段满益教授团队题为“The electronic and optical properties of multi-layer Bi2O2X (X = S, Se, Te) by first-principles calculations ”的报告。该项研究使用VASP进行第一性原理计算。

石墨烯和MoS2等二维材料因其优异的电子和光电特性而被广泛研究。具有高载流子迁移率和中等带隙的材料越来越受到关注。然而，它们在实际应用中却存在局限性。例如，石墨烯是一种具有卓越的载流子迁移率的薄二维碳片，由于其零带隙，无法很好地应用于场效应器件。相反，层状MoS2表现出中等的带隙（单层为1.8 eV），其低载流子迁移率限制了其在光电子器件中的进一步应用。最近，Bi2O2X（X=S，Se，Te）材料因其在电子、热电和光电子应用中的巨大潜力而受到广泛关注。Bi2O2Se展现出优异的物理特性，具有中等的带隙（0.85 eV），适用于宽光谱范围内的光电检测。与晶体的体相相比，二维材料具有更好的载流子传输能力，更容易在电场中进行调制，并在光电子器件中得到更广泛的应用。Bi2O2Te和Bi2O2作为Bi2O2 X家族的重要成员，具有与Bi2O2Se相似的性质。但对其稳定性和层相关特性的研究却很少。因此，段满益教授团队致力于深入研究Bi2O2X（X=S，Se，Te）的电子和光学特性，寻找有效的调节特性的方法。

图1链状、氢钝化和块状Bi2O2X（X = S、Se、Te）的最优结构和晶格常数。氢钝化结构的晶格参数定义为a=b，链状结构的晶格常数定义为1/3 （a+b）。示出了1L Bi2O2X，并且可以以类似的方式构建另一个多层Bi2O2X。紫色、橙色、红色和蓝色球分别代表Bi、X、O和H原子。

(资料图)

图2多层Bi2O2S的能带结构：（a）1L；（b）2L；（c）3L；（d）4L和（e）5L。蓝线是H-Bi2O2S的能带结构，红线是Z-Bi2O2S；（f） 多层Bi2O2X（X = S，Se，Te）的带隙是Bi2O2X的层数的函数。阴影区域表示可见光区域。

图3多层H-Bi2O2S的状态密度（DOS）：（a）~（e）是1L~5L H-Bi2O2O2S的DOS。黑点线表示费米能级。

图4（a） 和（b）H-Bi2O2S和Z-Bi2O2S的声子色散和投影声子态密度；（c） 和（d）H-Bi2O2S和Z-Bi2O2S在恒定温度（300K）下AIMD模拟中的自由能变化。

图5光子能量为0~15 eV的H-Bi2O2S的光学特性，阴影区域代表可见光区域：（a）介电函数的虚部（ε2）；（b）介电功能的实部（ε1）；（c）折射率（n）;（d）H-Bi2O2的吸收系数。（α）

图61L Bi2O2X（X = S，Se，Te）在应变下的带隙，阴影区域代表可见光区域：（a）1L Bi2O2X（X = S，Se，Te）的带隙；（b） Bi2O2X（X = S，Se，Te）的带隙（Γ-Γ）；氢钝化模型的带隙用粗线表示，而链状模型的带隙用细线表示。

在该项工作中，作者基于密度函数理论系统地研究了Bi2O2X（X = S，Se，Te）的电子和光学特性，并通过改变层数和应变方式设计了其结构和性质。该团队发现，无论层数如何变化，H-Bi2O2X（X = S，Se，Te）始终是间接带隙，但Z-Bi2O2X（X = S，Se、Te）总是显示直接带隙。随着层数的增加，H-Bi2O2X和Z-Bi2O2X的晶格常数和带隙减小，并接近体相。nL Z-Bi2O2X的带隙大于nL H-Bi2O2X的带隙，并且带隙的差异随着层数的增加而变小。通过改变层数，H-Bi2O2S的带隙可以从蓝光能量到红外光能量的范围内调节。基于氢钝化模型，我们计算了Bi2O2S的光学特性。1L H-Bi2O2S的介电函数的虚部具有三个主峰，并且随着层数的增加，峰向低能区移动（红移）。随着层数的增加，吸收光谱的峰值移向低能区，吸收系数变大。此外，H-Bi2O2X（X = S，Se，Te）、Z-Bi2O2S和Z-Bi2O2Se的带隙随着拉伸应变的增加而线性减小。然而，随着拉伸应变的增加，Z-Bi2O2Te首先增加，然后减少，这可能是由较重的Te原子引起的。H-Bi2O2X（X = S，Se，Te）的带隙（Γ-Γ）从−10%压缩应变线性减小到10%拉伸应变。随着压缩应变的增加，Z-Bi2O2X（X = S，Se，Te）的带隙（Γ-Γ）的差异变得更大，但随着拉伸应变的增大，差异变得更小。该团队展望了其在光电子领域的潜在应用，证明了设计不同的二维模型、改变层数和应变调制是设计Bi2O2X（X = S、Se、Te）电子和光学特性的三种有效方法。

【原文链接】

https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0169433223002179

本文同步发表于微信公众号“催化科研圈 Catalytic Research” & 知乎“徐佳莹”。

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