掺杂和缺陷对单层SnS2物性影响的第一性原理研究

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伴随石墨烯的发现,二维材料开始走进了大众的视野。单层SnS2因其化学稳定性好、无毒、成本低和含量丰富等优点受到人们的广泛关注。但是其只能吸收大部分紫外光和一小部分可见光,且在通常情况下只能自发的进行产氧反应却不能自发的进行析氢反应。另外,目前对单层SnS2磁学性质的报道还极度匮乏,大大限制了其应用。为此,人们提出在单层SnS2中引入掺杂原子或者本征缺陷的方法来改善其光电磁学性能。本论文将单层SnS2体系选为研究对象,采取以密度泛函理论为基础的第一性原理计算方法,分别对含有Fe/Zn掺杂原子或者本征缺陷的单层SnS2的电子结构、光学和磁学性质进行了探究。对于Fe-SnS2,掺杂体系不仅带隙变小了,而且实现了室温铁磁性。此外,Fe的引入增强了体系对低能量范畴太阳光的吸收,其中体系吸收边红移是由带隙减小引起的,而体系对红外光部分的吸收主要源于电子在Fe-3d杂质能带的带内跃迁。Fe-SnS2对于Fe掺杂浓度的变化具有一定的敏感性,8.33%左右的掺杂浓度几乎便可以实现体系对整个太阳光波段最大的吸收。美中不足的是Fe的掺入减弱了体系原本的光催化能力。对于Zn-SnS2,掺杂体系在带隙变小的同时也实现了室温铁磁性。此外,Zn掺杂同样增强了体系对低能量范畴太阳光的吸收,其中体系吸收边红移是由带隙减小引起的,而体系对红外光部分的吸收主要源于电子在S-3p杂质能带的带内跃迁。差别在于伴随Zn掺杂浓度的增加Zn-SnS2体系对整个太阳光波段的吸收是不断增强的。并且Zn的掺入还能够增强体系原本的光催化能力。对于含有本征缺陷的单层SnS2,含有Sn空位、Sn替代S原子反占位或者吸附S原子缺陷的单层SnS2对外表现磁性,且含有吸附S原子缺陷的单层SnS2可以实现室温铁磁性。综上,Fe-SnS2可以实现较好的光吸收和室温铁磁性,适用于太阳能电池吸收层和稀磁半导体中。Zn-SnS2在光电磁学方面均能得到较好的性质,可用于太阳能电池吸收层、光催化剂和稀磁半导体中。而含有吸附S原子缺陷的单层SnS2同样可以实现室温铁磁性,大大拓展了其在自旋电子学器件中的应用。
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