一种发光、光伏两用的二维范德瓦尔斯异质结结构

本发明属于光电材料的，具体地涉及一种发光、光伏两用的二维范德瓦尔斯异质结结构。

背景技术：

1、自2004年石墨烯的剥离成功以来，石墨烯、过渡金属二硫化物和磷烯等二维材料因其优异的物理化学性质而受到广泛关注。新型二维材料不断涌现，使得二维材料具有广阔的应用前景。在二维材料的研究和探索过程中，人们发现了使二维材料更有效发挥优势的良好形式，即由两种及以上的二维材料堆叠而成的范德瓦尔斯异质结结构。人们相继研究了石墨烯/过渡金属硫族化合物和过渡金属硫族化合物/过渡金属硫族化合物异质结，如石墨烯/mos2、wse2/mos2等，发现这些结构在光电领域有较好的应用前景。在二维光电材料异质结中，除了单一材料本身具备的性质外，二维材料异质结界面处的能带结构往往可以影响光生载流子的形成、漂移和复合等相关的过程，并且界面间电荷转移往往发生在50fs到亚皮秒范围内，进一步影响二维光电材料异质结器件的电学和光学性能。双层范德瓦尔斯异质结根据构成材料的能带对齐情况分为ⅰ型异质结（跨立型）、ⅱ型异质结（错开型）和ⅲ型异质结（破隙型）。其中，ⅰ型异质结可以快速复合电子和空穴，常用于发光器件（如led）；ⅱ型异质结可以有效地分离电子和空穴，常用于光伏器件（如异质结电池）；ⅲ型异质结更易形成电子隧穿，主要用于隧穿场ect晶体管。

2、二维材料中，二维铁电材料（cuinp2s6和α-in2se3等）是比较特殊的一类材料。它们具有两种及以上可以通过施加外加电场实现转换的极化态，且每一种极化态具有不同的费米能级。当二维铁电材料与其他材料构成异质结时，它们的费米能级将发生移动并最终将得到统一，其中伴随着能带对齐情况的改变。因此，采用二维铁电材料和其他材料构成范德瓦尔斯异质结，可以实现不同极化态对应不同的异质结类型，从而实现一种异质结多种用途，大大拓展了异质结的应用领域和使用范围。如今，可转换异质结类型的研究较少，二维范德瓦尔斯异质结也仍有许多未被发现的可能具有更好的性能和潜在的应用结构。因此，有必要对可转换类型的二维范德瓦尔斯异质结进行进一步的研究与开发，为下一代光电设备的开发提供更多的可能性和选择。因此为实现可转换类型的二维范德瓦尔斯异质结，进一步发掘二维光电材料的潜力，本发明提供了一种发光、光伏两用的二维范德瓦尔斯异质结结构。

技术实现思路

1、为了解决上述技术问题，本发明提供了一种发光、光伏两用的二维范德瓦尔斯异质结结构，以解决上述背景技术所提出的技术问题。

2、该发明提供以下技术方案，一种发光、光伏两用的二维范德瓦尔斯异质结结构，所述异质结结构自上而下包括（）α-in2se3单层原胞与（）gas单层原胞，所述异质结结构按其铁电极化方向分为p↑态与p↓态，所述（）α-in2se3单层原胞的中间se原子层靠近上侧时，所述异质结结构为p↑态，所述（）α-in2se3单层原胞的中间se原子层靠近下侧时，所述异质结结构为p↓态，所述异质结结构的晶格失配率小于2%。

3、相比现有技术，本申请的有益效果为：本申请所提供的异质结结构由二维铁电材料α-in2se3和二维材料gas堆叠而成，其具有可切换的p↑态和p↓态，其中，p↑态的异质结结构为ⅰ型异质结，可以快速复合电子和空穴，可用于制作发光器件，p↓态的异质结结构为ⅱ型异质结，可以有效地分离电子和空穴，可用于光伏器件，从而提供一种异质结结构实现多种用途，大大拓展了异质结的应用领域和使用范围，此外，该异质结结构法向的紫外和可见光波段的光吸收系数较高，对光能量的利用率高，适合用来制作光电器件。

4、较佳地，所述（）α-in2se3单层原胞在x方向晶胞边a1的长度为7.114å、在z方向晶胞边b1的长度为7.114å、在y方向晶胞边c1的长度为35å，晶胞边a1与晶胞边b1的角度为120°，晶胞边a1与晶胞边c1的角度为90°，晶胞边b1与晶胞边c1的角度为90°。

5、较佳地，所述（）gas单层原胞在x方向晶胞边a2的长度为7.267å、在z方向晶胞边b2的长度为7.267å、在y方向晶胞边c2的长度为35å，晶胞边a2与晶胞边b2的角度为120°，晶胞边a2与晶胞边c2的角度为90°，晶胞边b2与晶胞边c2的角度为90°。

6、较佳地，所述异质结结构在x方向晶胞边a3的长度为7.267å、在z方向晶胞边b3的长度为7.267å、在y方向晶胞边c3的长度为35å，晶胞边a3与晶胞边b3的角度为120°，晶胞边a3与晶胞边c3的角度为90°，晶胞边b3与晶胞边c3的角度为90°。

7、较佳地，所述异质结结构为p↑态时，所述（）α-in2se3单层原胞与（）gas单层原胞的层间距为3.33å，所述异质结结构为p↓态时，所述（）α-in2se3单层原胞与（）gas单层原胞的层间距为3.28å。

8、较佳地，所述异质结结构为p↑态时，其是带隙为1.27ev的半导体，所述异质结结构为p↓态时，其是带隙为0.92ev的半导体。

9、较佳地，所述（）α-in2se3单层原胞是带隙为1.36 ev的半导体，所述（）gas单层原胞是带隙为1.56 ev的半导体。

10、较佳地，所述异质结结构为p↑态时，所述异质结结构为ⅰ型异质结，其能带的导带底和价带顶均由所述（）α-in2se3单层原胞提供。

11、较佳地，所述异质结结构为p↓态时，所述异质结结构为ⅱ型异质结，其能带的导带底和价带顶均由所述（）α-in2se3单层原胞、所述（）gas单层原胞提供。

12、较佳地，所述异质结结构的p↑态与p↓态可通过在所述异质结结构极化方向施加外电场进行相互转换。

技术特征：

1.一种发光、光伏两用的二维范德瓦尔斯异质结结构，其特征在于，所述异质结结构自上而下包括（）α-in2se3单层原胞与（）gas单层原胞，所述异质结结构按其铁电极化方向分为p↑态与p↓态，所述（）α-in2se3单层原胞的中间se原子层靠近上侧时，所述异质结结构为p↑态，所述（）α-in2se3单层原胞的中间se原子层靠近下侧时，所述异质结结构为p↓态，所述异质结结构的晶格失配率小于2%。

2.根据权利要求1所述的发光、光伏两用的二维范德瓦尔斯异质结结构，其特征在于，所述（）α-in2se3单层原胞在x方向晶胞边a1的长度为7.114å、在z方向晶胞边b1的长度为7.114å、在y方向晶胞边c1的长度为35å，晶胞边a1与晶胞边b1的角度为120°，晶胞边a1与晶胞边c1的角度为90°，晶胞边b1与晶胞边c1的角度为90°。

3.根据权利要求1所述的发光、光伏两用的二维范德瓦尔斯异质结结构，其特征在于，所述（）gas单层原胞在x方向晶胞边a2的长度为7.267å、在z方向晶胞边b2的长度为7.267å、在y方向晶胞边c2的长度为35å，晶胞边a2与晶胞边b2的角度为120°，晶胞边a2与晶胞边c2的角度为90°，晶胞边b2与晶胞边c2的角度为90°。

4.根据权利要求1所述的发光、光伏两用的二维范德瓦尔斯异质结结构，其特征在于，所述异质结结构在x方向晶胞边a3的长度为7.267å、在z方向晶胞边b3的长度为7.267å、在y方向晶胞边c3的长度为35å，晶胞边a3与晶胞边b3的角度为120°，晶胞边a3与晶胞边c3的角度为90°，晶胞边b3与晶胞边c3的角度为90°。

5.根据权利要求1所述的发光、光伏两用的二维范德瓦尔斯异质结结构，其特征在于，所述异质结结构为p↑态时，所述（）α-in2se3单层原胞与（）gas单层原胞的层间距为3.33å，所述异质结结构为p↓态时，所述（）α-in2se3单层原胞与（）gas单层原胞的层间距为3.28å。

6.根据权利要求1所述的发光、光伏两用的二维范德瓦尔斯异质结结构，其特征在于，所述异质结结构为p↑态时，其是带隙为1.27ev的半导体，所述异质结结构为p↓态时，其是带隙为0.92ev的半导体。

7.根据权利要求1所述的发光、光伏两用的二维范德瓦尔斯异质结结构，其特征在于，所述（）α-in2se3单层原胞是带隙为1.36 ev的半导体，所述（）gas单层原胞是带隙为1.56 ev的半导体。

8.根据权利要求1所述的发光、光伏两用的二维范德瓦尔斯异质结结构，其特征在于，所述异质结结构为p↑态时，所述异质结结构为ⅰ型异质结，其能带的导带底和价带顶均由所述（）α-in2se3单层原胞提供。

9.根据权利要求1所述的发光、光伏两用的二维范德瓦尔斯异质结结构，其特征在于，所述异质结结构为p↓态时，所述异质结结构为ⅱ型异质结，其能带的导带底和价带顶均由所述（）α-in2se3单层原胞、所述（）gas单层原胞提供。

10.根据权利要求1所述的发光、光伏两用的二维范德瓦尔斯异质结结构，其特征在于，所述异质结结构的p↑态与p↓态可通过在所述异质结结构极化方向施加外电场进行相互转换。

技术总结
本发明提供了一种发光、光伏两用的二维范德瓦尔斯异质结结构，异质结结构自上而下包括（）α‑In<subgt;2</subgt;Se<subgt;3</subgt;单层原胞与（）GaS单层原胞，异质结结构按其铁电极化方向分为P↑态与P↓态，（）α‑In<subgt;2</subgt;Se<subgt;3</subgt;单层原胞的中间Se原子层靠近上侧时，异质结结构为P↑态，（）α‑In<subgt;2</subgt;Se<subgt;3</subgt;单层原胞的中间Se原子层靠近下侧时，异质结结构为P↓态，本发明的异质结结构有两种可通过施加外加电场转换的极化态P↑态和P↓态，分别为可用于发光器件的Ⅰ型异质结和可用于光伏器件的Ⅱ型异质结，实现了一种异质结多种用途，大大拓展了异质结的应用领域和使用范围。

技术研发人员：雷蕾涛,曹如凤,商晓菲,徐亮,辛俊祥,邹哲明,周艳红,刘志敏
受保护的技术使用者：华东交通大学
技术研发日：
技术公布日：2024/3/11