[发明专利]一种单一材料PN异质结及其设计方法

说明书

本发明提供了一种单一材料PN异质结及其设计方法，涉及PN异质结材料设计技术领域，包括：将一种二维过渡金属硫化物中的部分原子替换成替代原子，二维过渡金属硫化物具有单一N型半导体性质或单一P型半导体性质；通过原子替换形成缺陷型二维过渡金属硫化物，所述缺陷型二维过渡金属硫化物的半导体性质发生转变，适于与未进行原子替换的二维过渡金属硫化物形成PN异质结。本发明通过替代原子的引入使得本征半导体二维材料出现晶格缺陷，引入了缺陷能级，将同一种材料通过原子替换形成具备P型半导体性质与N型半导体性质两种同晶格材料，并从能带分布中判断体系的多数载流子，为实现单一材料PN异质结提供了理论依据。

技术领域

本发明涉及PN异质结材料设计技术领域，具体而言，涉及一种单一材料PN异质结及其设计方法。

背景技术

现有的诸如过渡金属硫化物等二维材料，由于具备光学波段的直接带隙、优良的化学稳定性、制备过程简单和环境友好等优点，在多个方面具有广泛的应用，如光催化剂、红外光电探测器、非线性光学信息处理器件和发光二极管等。

由于过渡金属硫化物为二维材料，因此在集成方面可以通过构建范德瓦尔斯异质结的方式进行结构和功能的整合，从而制备光学相关的多功能器件。然而，构建异质结对晶格匹配的要求很高，共面异质结在制备过程中难度较大。目前，PN异质结多是两层以上不同的半导体材料薄膜依次沉积在同一基座上形成，不同的半导体材料在晶格匹配存在一定差异时容易在材料中引入内部应力，从而使得异质结的稳定性不佳，降低其电子特性与光学特性等。

发明内容

本发明解决的问题是不同的半导体材料构建异质结时对晶格匹配的要求很高，晶格匹配存在一定的差异容易在材料中引入内部应力，从而影响器件的稳定性、电子特性与光学特性等。

为解决上述问题，本发明提供一种单一材料PN异质结的设计方法，包括：

将一种二维过渡金属硫化物中的部分原子替换成替代原子，所述二维过渡金属硫化物具有单一N型半导体性质或单一P型半导体性质；

通过原子替换形成缺陷型二维过渡金属硫化物，所述缺陷型二维过渡金属硫化物具有缺陷结构，所述缺陷结构将所述二维过渡金属硫化物的P型半导体性质转变为N型半导体性质；或者，将所述二维过渡金属硫化物的N型半导体性质转变为P型半导体性质；

所述缺陷型二维过渡金属硫化物与未进行所述原子替换的所述二维过渡金属硫化物具有不同的半导体性质，适于形成PN异质结。

可选地，还包括：查找所述二维过渡金属硫化物六角晶胞的晶格参数，选取一定的晶格单胞棱长a与晶格单胞棱长c，扩大原始晶胞至一定重复数的超胞，确定所述二维过渡金属硫化物的能带结构信息与态密度，通过所述能带结构信息与所述态密度确定所述二维过渡金属硫化物为单一N型半导体性质或单一P型半导体性质；

将所述二维过渡金属硫化物中的部分原子替换成替代原子，对原子替换后的二维过渡金属硫化物的晶格参数进行优化，取能量最低点的晶格参数，调整截断能，确定原子替换后的二维过渡金属硫化物的能带结构信息、态密度与费米能级，通过费米能级、缺陷能级、导带底与价带顶确定原子替换后的二维过渡金属硫化物是否发生半导体性质变化，所述半导体性质变化包括：原子替换后的二维过渡金属硫化物将P型半导体性质转变为N型半导体性质；或者，原子替换后的二维过渡金属硫化物将N型半导体性质转变为P型半导体性质。

可选地，所述二维过渡金属硫化物为WSe₂，所述替代原子为Ta原子，所述Ta原子用于替代WSe₂中的Se原子。

可选地，所述查找二维过渡金属硫化物六角晶胞的晶格参数，选取一定的晶格单胞棱长a与晶格单胞棱长c，扩大原始晶胞至一定重复数的超胞，确定所述二维过渡金属硫化物的能带结构信息与态密度包括：