單層2H-MoTe2光電效應的理論研究

羅 兵,陳 妍,徐中輝

(1.江西理工大學信息工程學院，贛州 341000；2.江西理工大學電氣工程與自動化學院，贛州 341000)

0 引 言

石墨烯是21世紀最重要的發現之一，2004年，Geim和Novoselov等在實驗上首次成功地從石墨上通過機械剝離法得到了二維的石墨烯，證實石墨烯可以單獨穩定存在[1]。但是，本征的石墨烯為零帶隙，這一獨特的性質限制了它在很多實際中的應用，尤其是在光電子器件中的應用，這促使人們尋找新的、合適帶隙的其他二維材料。大量的科研工作者把目光紛紛轉向了類石墨烯結構的過渡金屬硫族化物(TMDs)中，TMDs由于具有較高的載流子遷移率、較大的開關比和適當的帶隙，迅速成為材料研究領域的熱點。同時，大多數TMDs的性質隨著原子層數的變化而改變，當原子層數從多層減少到單層時，其能帶結構從間接帶隙變成直接帶隙，在可見光范圍內具有良好的光電效應[2]，因此在光電子器件方面有著巨大的潛在應用價值。

二碲化鉬(MoTe2)屬于TMDs家族中重要組成部分，除了具有TMDs優異的性質外，還具有一些獨特的性質。MoTe2是唯一一種半導體的三棱柱結構(2H相)和金屬性質的扭曲八面體結構(1T’相)均能穩定存在的材料，這兩種相結合能最小并且在一定條件下可以發生可逆轉變[3-4]。單層2H-MoTe2的帶隙為1.10 eV[5]，低于其他TMDs材料的帶隙，如MoS2帶隙1.85 eV[6], MoSe2帶隙1.55 eV[7]。由于合適的帶隙，MoTe2增加了基于二維光電探測器的探測范圍，尤其是增加了近紅外光的探測。在室溫下MoTe2的載流子遷移率高達2 526 cm2·V-1·s-1，遠高于MoS2[8]，這在采用多層、帶有1.3×104開關比的MoTe2場效應晶體管中已經得到證實[9]。2H-MoTe2的帶隙與Si相當并且具有熱力學穩定性，使得單層MoTe2在近紅外光探測方面具有潛在的應用價值[10]。近年來，少層或單層MoTe2[11]已經在實驗室通過化學氣相沉積方法成功制備，促使MoTe2在電子和光電子器件領域的應用迫在眉睫，尤其是在電信、運動檢測、生物醫學成像和熱成像等領域的應用[12-13]。

到目前為止，對MoTe2從實驗到理論的研究已成為焦點。然而，對MoTe2光電性質的綜合研究卻鮮有報道。所以本文采用第一性原理方法研究2H-MoTe2在近紅外及可見光范圍內的光電性質。

1 計算模型與方法

本文采用非平衡態格林函數-密度泛函理論(NEGF-DFT)的第一性原理量子輸運軟件Nanodcal計算。采用局域密度近似(local density approximation，LDA)。在倒格矢空間中，截斷能為80 Hartree，鋸齒型方向(zigzag)和扶手椅型方向(armchair)的自洽k點分別取1×10×1和15×1×1，每個原子能量的收斂精度為10-4eV，以保證結構的合理性。

為了得到光電流，構建了兩端點的器件模型，如圖1所示，分別為zigzag方向和armchair方向。器件由三部分組成，中心散射區和左右電極，其中左右兩個電極是半無限長的。整個系統在x-y平面是周期性的。

圖1 單層2H-MoTe2的兩端口器件結構圖；(a)和(b)在zigzag方向的俯視圖和側視圖；(c)和(d)在armchair方向的俯視圖和側視圖

當線性偏振光垂直照射在器件中心區域時，就能產生光電流。基于線性相應近似，光電流可以寫成[14-15]：

(1)

特別地，對于線性偏振光來說:

(2)

(3)

其中，m0是電子質量，Iw是單位時間單位區域內的光子流動,N是光子數，w和c分別是光子的頻率和光速,ε和εr分別是介電常數和相對介電常數，μr是相對磁化率。對于線性偏振光來說，光的偏振方向可以由偏振矢量來決定，e=cosθe1+sinθe2，θ的偏振方向是輸運方向與矢量e形成的夾角。計算的光電流都是歸一化光電流R，其表達式：

(4)

2 結果與討論

2.1 單層2H-MoTe2的電子結構

圖2是計算出的單層2H-MoTe2能帶結構和態密度，圖中展示MoTe2的導帶的最小值為0.58 eV，價帶的最大值為-0.58 eV，導帶的最小值和價帶的最大值都在第一布里淵區G-X之間的同一點取得，說明單層MoTe2的能帶結構為直接帶隙，且帶隙值為1.16 eV，與其他理論值吻合較好[5]。在第一布里淵區的 S點，價帶的最大值為-0.73 eV(S1)，導帶的最小值是0.90 eV(S2), 次導帶的最小值為1.09 eV(S3)，在S點價帶到導帶的距離為1.63 eV(S1→S2)，價帶到次導帶的距離為1.82 eV(S1→S3)。圖2(b)為態密度圖，價帶-0.73 eV處存在一個明顯的峰值，導帶0.90 eV和次導帶1.09 eV處存在兩個較大的峰值，價帶峰值和導帶峰值之間的能量間隙為1.63 eV，價帶峰值和次導帶峰值之間的能量間隙1.82 eV。

圖2 單層2H-MoTe2的(a)能帶結構和(b)態密度

2.2 線性偏振光照射下單層2H-MoTe2的光電流

為了研究在線性極化光照射下光電流隨偏振角θ的變化函數，本文研究的線性偏振光范圍為0.8～2.0 eV，間隔為0.1 eV；該能量范圍包含單層2H-MoTe2的帶隙(1.16 eV)，并且在近紅外和可見光范圍內。計算結果表明(見圖3)：在zigzag方向，線性偏振光照射下光電流隨偏振角θ變化呈現sin(2θ)趨勢；然而，在armchair方向，光電流強度正比于cos(2θ)，計算出的這些結果與PGE的唯象理論非常吻合[16-17]。

圖3 線偏振光照射下單層2H-MoTe2在(a)zigzag和(b)armchair方向隨偏振角θ變化的光電流函數

為了理解光電流的微觀起源，一般來說，分析能帶間的能量是理解電子躍遷情況的關鍵一步。從圖4中可以看出，在光子能量范圍1.6～1.8 eV能產生較大的光電流。在第一布里淵區S點附近(見圖2)，高對稱點S的價帶和導帶的帶隙為1.63 eV，即S1→S2；價帶到次導帶的帶隙為1.82 eV，即S1→S3(見圖2)。在圖2(b)中，S點在價帶-0.73 eV、導帶0.90 eV 和1.09 eV附近具有較大的態密度。根據費米黃金定律，當線性偏振光照射單層2H-MoTe2光電探測器時，通過吸收相應的光子能量，這些能量將激發電子從價帶到導帶的躍遷，因此在光子能量范圍1.6～1.8 eV能產生較大的光電流。換句話說，在光子能量范圍1.6～1.8 eV產生的較大光電流主要來自第一布里淵區高對稱點S處的價帶到導帶和價帶到次導帶間的電子躍遷，因為電子傳輸與態密度成正比。

圖4 單層2H-MoTe2最大光電流(Rm)在(a)zigzag和(b)armchair方向隨光子能量在不同偏壓下的變化

3 結 論

基于非平衡態格林函數-密度泛函理論的第一性原理計算方法，計算了單層2H-MoTe2的能帶結構、態密度和光電流。結合能帶結構和態密度的電子受激躍遷情況，分析了產生較大光電流的原因。計算結果表明：單層2H-MoTe2光電探測器在光子能量范圍1.6～1.8 eV(690～770 nm，對應于紅光波長范圍)能產生較大的光電流。產生較大光電流的原因主要來自第一布里淵區S點的電子躍遷，并且計算出的光電流函數與唯象理論完全吻合。同時計算發現，對于zigzag方向和armchair方向的2H-MoTe2光電探測器分別在偏壓0.8 V和0.4 V的光電流達到峰值。本文通過對單層2H-MoTe2光電性質的研究，為該材料在光電子和微電子器件方面的應用提供了理論參考。