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窄帶隙InSe/In2Se3鐵電異質結中可大幅調控的圓光生電流效應

鴻之微 ? 來源:鴻之微 ? 2023-10-11 16:41 ? 次閱讀

01引言

鐵電材料中的光生電流效應在太陽能電池、光電探測和非易失性存儲器等領域具有應用潛力,吸引了廣泛的研究興趣,但目前可覆蓋全太陽光譜的窄帶隙鐵電材料還很少見。此外,對于鐵電光電器件而言,增強光偏振敏感度和提高開關比仍有很大的空間。針對上述問題,本文研究了圓偏振光在窄帶隙(< 1.6 eV)二維InSe/In2Se3鐵電異質結中的光生電流效應。基于非平衡格林函數理論,給出了光電流隨光螺旋度Ф和入射角α的依賴關系,并結合密度泛函理論計算了光電流。研究結果表明CPGE在基于低維鐵電材料的光電器件中有應用潛力。

02成果簡介

本文采用鴻之微DS-PAW軟件計算了InSe/In2Se3鐵電異質結的電子結構性質及鐵電反轉勢壘,并利用基于非平衡格林函數-密度泛函理論(NEGF-DFT)的第一性原理計算軟件Nanodcal研究了圓偏振光在窄帶隙(< 1.6 eV)InSe/In2Se3?鐵電異質結中的光生電流效應。二維InSe/In2Se3?異質結屬于C3v點群,具有非空間反演對稱性,因此在橢圓偏振光斜照射下可激發線光生電流效應(LPGE)和圓光生電流效應(CPGE)。計算表明,CPGE只能在斜入射下產生,可比LPGE大103倍。當光沿鋸齒型方向照射時,光電流達到最大,主要來自于CPGE的貢獻。上下反轉In2Se3的鐵電極化方向,還可進一步調控光電流,獲得的開關比高達563。光電流還具有優異的偏振敏感度,最大消光比可達410。這些研究結果展示了CPGE在鐵電光電器件中的應用潛力。

03圖文導讀

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圖1. (a) InSe/In2Se3(↓)鐵電異質結的俯視圖,其中原胞由紅色平行四邊形表示;(b),(c)分別為InSe/In2Se3(↓)和InSe/In2Se3(↑)異質結的側視圖;(d),(e) InSe/In2Se3(↓)異質結器件模型的俯視圖和側視圖。

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圖2. (a),(b)分別為InSe/In2Se3(↓)和InSe/In2Se3(↑)異質結的電子能帶結構(實線為HSE能帶,虛線為PBE能帶);(c),(d)兩種異質結的VBM和CBM的電荷分布;(e)單層α-In2Se3和(f) InSe/In2Se3異質結的鐵電極化反轉過程的動力學途徑。

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圖3. InSe/In2Se3(↓)光電流隨橢偏光的螺旋度Ф的變化規律。(a)沿y軸垂直入射時不同光子能量下的光電流;(b)光子能量為1.1 eV,在x-y平面內斜入射時的光電流隨入射角α的變化規律;(c),(d)不同光子能量下x-y和y-z平面內斜入射時的光電流。

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圖4.InSe/In2Se3(↓)異質結的光電流:(a) x-y和(b) y-z平面內斜入射時,Ф=45?和90?的光電流與入射角α的關系;(c),(d)InSe/In2Se3(↑)異質結:在x-y平面內斜入射時光電流隨α和Ф的變化規律。

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圖5.InSe/In2Se3(↓)鐵電異質結的LPGE和CPGE. (a)不同光子能量下γ和χ'的比值;(b)x-y面內斜入射時光子能量為2.1 eV對應的光電流及擬合曲線;(c) γ與χ的比較;(d) χ與χ'的比較。

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圖6. (a)分別沿x、y軸入射及在y-z平面內斜入射時,InSe/In2Se3(↓)異質結的光電流;(b)沿x方向入射的光電流,及Ф=90?和0?的光吸收系數;(c)沿x軸入射時,InSe/In2Se3(↓)和InSe/In2Se3(↑)異質結的最大光電流(Imax)隨光子能量的變化;(d)兩異質結最大光電流的比較;(e),(f)不同螺旋度下兩異質結光電流的比較。

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圖7 . (a),(b) InSe/In2Se3異質結分別在1.8和2.3 eV下的光電流;(c),(d)橢偏光分別沿y軸和z軸入射時,InSe/In2Se3(↓)和InSe/In2Se3(↑)異質結的消光比。

04小結

本文采用鴻之微DS-PAW軟件計算了InSe/In2Se3鐵電異質結的電子結構性質,采用Nanodcal軟件研究了橢圓偏振光誘導的二維InSe/In2Se3鐵電異質結中的LPGE和CPGE,給出了光電流與入射角α和光螺旋度Ф的依賴關系。由于異質結具有非中心對稱的C3v對稱性及窄帶隙(< 1.6 eV),因此在全部可見光頻譜范圍內都能激發LPGE和CPGE。發現CPGE產生的光電流遠大于LPGE的光電流,比值高達103。通過反轉鐵電極化方向,我們可進一步調控光電流,獲得高達563 的開關比。此外,光電流具有高度的偏振敏感性,消光比可達410。這些結果表明,二維鐵電材料中的CPGE在非易失性存儲器、自供能光電探測器和太陽能電池領域具有應用潛能。





審核編輯:劉清

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原文標題:文獻賞析 | 窄帶隙InSe/In2Se3鐵電異質結中可大幅調控的圓光生電流效應(林國力)

文章出處:【微信號:hzwtech,微信公眾號:鴻之微】歡迎添加關注!文章轉載請注明出處。

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