单层2H-MoTe2光电效应的理论研究

罗 兵,陈 妍,徐中辉

(1.江西理工大学信息工程学院，赣州 341000；2.江西理工大学电气工程与自动化学院，赣州 341000)

0 引 言

石墨烯是21世纪最重要的发现之一，2004年，Geim和Novoselov等在实验上首次成功地从石墨上通过机械剥离法得到了二维的石墨烯，证实石墨烯可以单独稳定存在[1]。但是，本征的石墨烯为零带隙，这一独特的性质限制了它在很多实际中的应用，尤其是在光电子器件中的应用，这促使人们寻找新的、合适带隙的其他二维材料。大量的科研工作者把目光纷纷转向了类石墨烯结构的过渡金属硫族化物(TMDs)中，TMDs由于具有较高的载流子迁移率、较大的开关比和适当的带隙，迅速成为材料研究领域的热点。同时，大多数TMDs的性质随着原子层数的变化而改变，当原子层数从多层减少到单层时，其能带结构从间接带隙变成直接带隙，在可见光范围内具有良好的光电效应[2]，因此在光电子器件方面有着巨大的潜在应用价值。

二碲化钼(MoTe2)属于TMDs家族中重要组成部分，除了具有TMDs优异的性质外，还具有一些独特的性质。MoTe2是唯一一种半导体的三棱柱结构(2H相)和金属性质的扭曲八面体结构(1T’相)均能稳定存在的材料，这两种相结合能最小并且在一定条件下可以发生可逆转变[3-4]。单层2H-MoTe2的带隙为1.10 eV[5]，低于其他TMDs材料的带隙，如MoS2带隙1.85 eV[6], MoSe2带隙1.55 eV[7]。由于合适的带隙，MoTe2增加了基于二维光电探测器的探测范围，尤其是增加了近红外光的探测。在室温下MoTe2的载流子迁移率高达2 526 cm2·V-1·s-1，远高于MoS2[8]，这在采用多层、带有1.3×104开关比的MoTe2场效应晶体管中已经得到证实[9]。2H-MoTe2的带隙与Si相当并且具有热力学稳定性，使得单层MoTe2在近红外光探测方面具有潜在的应用价值[10]。近年来，少层或单层MoTe2[11]已经在实验室通过化学气相沉积方法成功制备，促使MoTe2在电子和光电子器件领域的应用迫在眉睫，尤其是在电信、运动检测、生物医学成像和热成像等领域的应用[12-13]。

到目前为止，对MoTe2从实验到理论的研究已成为焦点。然而，对MoTe2光电性质的综合研究却鲜有报道。所以本文采用第一性原理方法研究2H-MoTe2在近红外及可见光范围内的光电性质。

1 计算模型与方法

本文采用非平衡态格林函数-密度泛函理论(NEGF-DFT)的第一性原理量子输运软件Nanodcal计算。采用局域密度近似(local density approximation，LDA)。在倒格矢空间中，截断能为80 Hartree，锯齿型方向(zigzag)和扶手椅型方向(armchair)的自洽k点分别取1×10×1和15×1×1，每个原子能量的收敛精度为10-4eV，以保证结构的合理性。

为了得到光电流，构建了两端点的器件模型，如图1所示，分别为zigzag方向和armchair方向。器件由三部分组成，中心散射区和左右电极，其中左右两个电极是半无限长的。整个系统在x-y平面是周期性的。

图1 单层2H-MoTe2的两端口器件结构图；(a)和(b)在zigzag方向的俯视图和侧视图；(c)和(d)在armchair方向的俯视图和侧视图

当线性偏振光垂直照射在器件中心区域时，就能产生光电流。基于线性相应近似，光电流可以写成[14-15]：

(1)

特别地，对于线性偏振光来说:

(2)

(3)

其中，m0是电子质量，Iw是单位时间单位区域内的光子流动,N是光子数，w和c分别是光子的频率和光速,ε和εr分别是介电常数和相对介电常数，μr是相对磁化率。对于线性偏振光来说，光的偏振方向可以由偏振矢量来决定，e=cosθe1+sinθe2，θ的偏振方向是输运方向与矢量e形成的夹角。计算的光电流都是归一化光电流R，其表达式：

(4)

2 结果与讨论

2.1 单层2H-MoTe2的电子结构

图2是计算出的单层2H-MoTe2能带结构和态密度，图中展示MoTe2的导带的最小值为0.58 eV，价带的最大值为-0.58 eV，导带的最小值和价带的最大值都在第一布里渊区G-X之间的同一点取得，说明单层MoTe2的能带结构为直接带隙，且带隙值为1.16 eV，与其他理论值吻合较好[5]。在第一布里渊区的 S点，价带的最大值为-0.73 eV(S1)，导带的最小值是0.90 eV(S2), 次导带的最小值为1.09 eV(S3)，在S点价带到导带的距离为1.63 eV(S1→S2)，价带到次导带的距离为1.82 eV(S1→S3)。图2(b)为态密度图，价带-0.73 eV处存在一个明显的峰值，导带0.90 eV和次导带1.09 eV处存在两个较大的峰值，价带峰值和导带峰值之间的能量间隙为1.63 eV，价带峰值和次导带峰值之间的能量间隙1.82 eV。

图2 单层2H-MoTe2的(a)能带结构和(b)态密度

2.2 线性偏振光照射下单层2H-MoTe2的光电流

为了研究在线性极化光照射下光电流随偏振角θ的变化函数，本文研究的线性偏振光范围为0.8～2.0 eV，间隔为0.1 eV；该能量范围包含单层2H-MoTe2的带隙(1.16 eV)，并且在近红外和可见光范围内。计算结果表明(见图3)：在zigzag方向，线性偏振光照射下光电流随偏振角θ变化呈现sin(2θ)趋势；然而，在armchair方向，光电流强度正比于cos(2θ)，计算出的这些结果与PGE的唯象理论非常吻合[16-17]。

图3 线偏振光照射下单层2H-MoTe2在(a)zigzag和(b)armchair方向随偏振角θ变化的光电流函数

为了理解光电流的微观起源，一般来说，分析能带间的能量是理解电子跃迁情况的关键一步。从图4中可以看出，在光子能量范围1.6～1.8 eV能产生较大的光电流。在第一布里渊区S点附近(见图2)，高对称点S的价带和导带的带隙为1.63 eV，即S1→S2；价带到次导带的带隙为1.82 eV，即S1→S3(见图2)。在图2(b)中，S点在价带-0.73 eV、导带0.90 eV 和1.09 eV附近具有较大的态密度。根据费米黄金定律，当线性偏振光照射单层2H-MoTe2光电探测器时，通过吸收相应的光子能量，这些能量将激发电子从价带到导带的跃迁，因此在光子能量范围1.6～1.8 eV能产生较大的光电流。换句话说，在光子能量范围1.6～1.8 eV产生的较大光电流主要来自第一布里渊区高对称点S处的价带到导带和价带到次导带间的电子跃迁，因为电子传输与态密度成正比。

图4 单层2H-MoTe2最大光电流(Rm)在(a)zigzag和(b)armchair方向随光子能量在不同偏压下的变化

3 结 论

基于非平衡态格林函数-密度泛函理论的第一性原理计算方法，计算了单层2H-MoTe2的能带结构、态密度和光电流。结合能带结构和态密度的电子受激跃迁情况，分析了产生较大光电流的原因。计算结果表明：单层2H-MoTe2光电探测器在光子能量范围1.6～1.8 eV(690～770 nm，对应于红光波长范围)能产生较大的光电流。产生较大光电流的原因主要来自第一布里渊区S点的电子跃迁，并且计算出的光电流函数与唯象理论完全吻合。同时计算发现，对于zigzag方向和armchair方向的2H-MoTe2光电探测器分别在偏压0.8 V和0.4 V的光电流达到峰值。本文通过对单层2H-MoTe2光电性质的研究，为该材料在光电子和微电子器件方面的应用提供了理论参考。