應力對GaS光學性質的調控作用

蒙偉

基于密度泛函理論的第一性原理方法，分析了應力對其電子結構和光學性質的影響。在能帶計算的基礎上，計算單層GaS的介電函數虛部及實部，并導出在改變應力后GaS的能量吸收譜、反射率和折射率，通過計算分析GaS的各項光學性質，GaS在施加壓縮應力時帶隙變寬，對可見光的吸收作用增強，施加拉伸應力時帶隙變窄，對可見光的吸收作用減弱，壓應力和拉伸應力對可見光的吸收、反射和折射造成顯著影響。

光能利用是解決能源短缺和環境污染問題提供了一條重要途徑。通過多年的發展硫族化合物作為光學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具有特殊的結構和電子特性而受到研究者的關注，通過計算得到二維GaS為間接帶隙半導體，禁帶寬度為2.7333eV，本文主要通過改變應力的方式，在壓縮8%和拉伸8%范圍內詳細討論了應力對二維GaS的介電性質、吸收系數、反射率、折射率和消光系數的影響，在此基礎上，進一步研究了應力對二維GaS光學性質的調控作用。

1 計算方法

本文基于第一性原理密度泛函理論方法，利用Vienna ab initio simulation package（VASP）進行計算。采用綴加投影、波方法（projector-augmented wave method，PAW）描述離子實和價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）雜化泛函計算了能帶結構。計算中平面波截斷能設置為700eV，經測試能足夠達到收斂。采用Monkorst-Park對布里淵區積分K點進行取樣，幾何優化K點網格為3×3×1，電子結構和光學性質計算采用更為精細的13×13×1的K點網格。結構優化過程中，原子進行完全弛豫，自洽能量的收斂標準為10_6eV，結構優化力的收斂標準為-0.001eV·nm-1。為了消除層之間的相互作用，Z軸方向設立了30nm的真空層。

2結構模型

優化后的二維GaS結構的晶格常數為2.412nm，鍵長dGa-s為2.42102nm，鍵角θGa-s-Ga為39.36°。二維GaS包含4個原子層，Ga原子層被兩個S原子層夾在中間，S-Ga-Ga-S四個原子層堆疊形成層狀結構。

3 能帶結構

應力的改變可以使二維GaS中原子鍵能、晶格參數以及原子間雜化作用發生變化，從而改變二維GaS帶隙值，圖2為二維GaS改變應力的能帶結構圖。圖（c）可以看出本征GaS禁帶寬度為2.7333eV的間接帶隙，應力的作用改變了二維GaS結構的共價鍵長度和電子間的雜化作用，使帶隙發生改變，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，應力由壓縮8%到拉伸8%時，禁帶寬度改變顯著，所以應力的改變必然會影響其光學性質。

4 光學性質

根據能帶計算結果，可以進一步討論二維GaS的光學性質。介電函數ε（ω）是一個虛數，其中虛數由實部ε1（ω）和虛部ε2（ω）組成：

5 應力作用下二維GaS的光學性質

體系的能量吸收譜L（ω）、折射率n（ω）和反射率R（ω）的色散關系都可以通過對介電函數實部ε1（ω）與虛部ε2（ω）的計算得到。我們計算本征GaS半導體的上述光學性質，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）的吸收作用，計算分析得出與未施加壓縮應力（c）相比，如圖1（d）、（e）中對光吸收效率增強，施加應力拉伸時，如（a）、（b）中對光吸收效率減弱，（ 與（ 的圖像在可見光范圍內基本一致，相較于文獻中材料的實驗結果，我們計算得出的結果峰值更高些。應力對單層GaS的吸收譜曲線產生更大的波動，峰的高能量波動較大，施加應力可改變單層GaS的能量吸收效率。

二維GaS的其它光學性質（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R（ω）的曲線，反射曲線在6.197eV處有一個低谷，峰值位置出現在8.875eV處。由圖可看出當施加壓縮應力時低谷和峰值上移，施加拉伸應力時則剛好相反，在可見光波段內本征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，光吸收加強則呈現出暗淡無金屬光澤。

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上較為相近，然而數值上卻差距較大。二維GaS的n//（ 曲線在可見光范圍內維持在1.3左右，和水的折射率1.33相近，當施加壓縮應力時（a）、（b）中單層GaS的增大并維持在2.0左右，變得更加透明，當施加拉伸應力時（c）、（d）中GaS的n//（ 減小并維持在0.08左右，說明獨立單層GaS薄片應是透明的。

基于密度泛函理論的第一性原理方法，計算了在不同應力作用下的二維GaS能帶結構和光學性質，并將二維GaS的介電函數、能量吸收譜、吸收系數及反射率等光學性質進行對比，結果表明本征GaS為間接帶隙，禁帶寬度為2.733eV，當應力處于壓縮并逐漸增大時，GaS的帶隙變寬，并且對可見光的吸收作用增強。當應力處于拉伸并增大時帶隙變窄，對可見光的吸收作用減弱，壓應力和拉伸應力對光吸收出現反常，對GaS的各項光學性質計算推斷單層GaS是透明的，：改變應力后透明度也會隨之發生改變，當入射光頻率的增加對可見光的吸收減弱。