应力对GaS光学性质的调控作用

蒙伟

基于密度泛函理论的第一性原理方法，分析了应力对其电子结构和光学性质的影响。在能带计算的基础上，计算单层GaS的介电函数虚部及实部，并导出在改变应力后GaS的能量吸收谱、反射率和折射率，通过计算分析GaS的各项光学性质，GaS在施加压缩应力时带隙变宽，对可见光的吸收作用增强，施加拉伸应力时带隙变窄，对可见光的吸收作用减弱，压应力和拉伸应力对可见光的吸收、反射和折射造成显著影响。

光能利用是解决能源短缺和环境污染问题提供了一条重要途径。通过多年的发展硫族化合物作为光学材料有突破性的研究成果，硫化镓作为其中一种过渡金属硫化物，GaS具有特殊的结构和电子特性而受到研究者的关注，通过计算得到二维GaS为间接带隙半导体，禁带宽度为2.7333eV，本文主要通过改变应力的方式，在压缩8%和拉伸8%范围内详细讨论了应力对二维GaS的介电性质、吸收系数、反射率、折射率和消光系数的影响，在此基础上，进一步研究了应力对二维GaS光学性质的调控作用。

1 计算方法

本文基于第一性原理密度泛函理论方法，利用Vienna ab initio simulation package（VASP）进行计算。采用缀加投影、波方法（projector-augmented wave method，PAW）描述離子实和价电子之间的相互作用，为了得到更为精确的带隙值，采用Heyd-Scuseria-Emzerhof（HSE06）杂化泛函计算了能带结构。计算中平面波截断能设置为700eV，经测试能足够达到收敛。采用Monkorst-Park对布里渊区积分K点进行取样，几何优化K点网格为3×3×1，电子结构和光学性质计算采用更为精细的13×13×1的K点网格。结构优化过程中，原子进行完全弛豫，自洽能量的收敛标准为10_6eV，结构优化力的收敛标准为-0.001eV·nm-1。为了消除层之间的相互作用，Z轴方向设立了30nm的真空层。

2结构模型

优化后的二维GaS结构的晶格常数为2.412nm，键长dGa-s为2.42102nm，键角θGa-s-Ga为39.36°。二维GaS包含4个原子层，Ga原子层被两个S原子层夹在中间，S-Ga-Ga-S四个原子层堆叠形成层状结构。

3 能带结构

应力的改变可以使二维GaS中原子键能、晶格参数以及原子间杂化作用发生变化，从而改变二维GaS带隙值，图2为二维GaS改变应力的能带结构图。图（c）可以看出本征GaS禁带宽度为2.7333eV的间接带隙，应力的作用改变了二维GaS结构的共价键长度和电子间的杂化作用，使带隙发生改变，图中（a）带隙增加0.5252eV、图（b）带隙增加0.4811eV、图（d）带隙减小了0.8751eV、图（e）带隙减小了1.1501eV。可见，应力由压缩8%到拉伸8%时，禁带宽度改变显著，所以应力的改变必然会影响其光学性质。

4 光学性质

根据能带计算结果，可以进一步讨论二维GaS的光学性质。介电函数ε（ω）是一个虚数，其中虚数由实部ε1（ω）和虚部ε2（ω）组成：

5 应力作用下二维GaS的光学性质

体系的能量吸收谱L（ω）、折射率n（ω）和反射率R（ω）的色散关系都可以通过对介电函数实部ε1（ω）与虚部ε2（ω）的计算得到。我们计算本征GaS半导体的上述光学性质，这里主要考虑入射光垂直和平行于c轴方向的情况。图1给出了单层GaS的能量吸收谱，在可见光（1.64～3.19eV范围内）的吸收作用，计算分析得出与未施加压缩应力（c）相比，如图1（d）、（e）中对光吸收效率增强，施加应力拉伸时，如（a）、（b）中对光吸收效率减弱，（ 与（ 的图像在可见光范围内基本一致，相较于文献中材料的实验结果，我们计算得出的结果峰值更高些。应力对单层GaS的吸收谱曲线产生更大的波动，峰的高能量波动较大，施加应力可改变单层GaS的能量吸收效率。

二维GaS的其它光学性质（折射率、反射率等）在图2、3中给出。图2是本征二维GaS材料反射系：数R（ω）的曲线，反射曲线在6.197eV处有一个低谷，峰值位置出现在8.875eV处。由图可看出当施加压缩应力时低谷和峰值上移，施加拉伸应力时则刚好相反，在可见光波段内本征GaS的反射率曲线维持在0.2?0.4左右，说明二维GaS能够反射约20%?40%入射光，体现出金属光泽。而本征GaS薄膜的R//（ 的可见光波段值约为0.02?0.06，光吸收加强则呈现出暗淡无金属光泽。

图6给出二维GaS材料的折射率曲线，二维GaS材料折射率曲线形态上较为相近，然而数值上却差距较大。二维GaS的n//（ 曲线在可见光范围内维持在1.3左右，和水的折射率1.33相近，当施加压缩应力时（a）、（b）中单层GaS的增大并维持在2.0左右，变得更加透明，当施加拉伸应力时（c）、（d）中GaS的n//（ 减小并维持在0.08左右，说明独立单层GaS薄片应是透明的。

基于密度泛函理论的第一性原理方法，计算了在不同应力作用下的二维GaS能带结构和光学性质，并将二维GaS的介电函数、能量吸收谱、吸收系数及反射率等光学性质进行对比，结果表明本征GaS为间接带隙，禁带宽度为2.733eV，当应力处于压缩并逐渐增大时，GaS的带隙变宽，并且对可见光的吸收作用增强。当应力处于拉伸并增大时带隙变窄，对可见光的吸收作用减弱，压应力和拉伸应力对光吸收出现反常，对GaS的各项光学性质计算推断单层GaS是透明的，：改变应力后透明度也会随之发生改变，当入射光频率的增加对可见光的吸收减弱。