应变诱导Bi₂O₂Se间接-直接带隙转变研究

摘要

直接带隙半导体在光电子学中起着至关重要的作用.在这方面，Bi₂O₂Se因其独特的性质而受到越来越多的关注.然而，Bi₂O₂Se的本征带隙是间接的，不利于实际器件应用.该文结合改进的Becke-Johnson交换势和第一性原理计算分析了Bi₂O₂Se在应变下的电子特性.结果表明Bi₂O₂Se是一种间接带隙半导体，导带底位于Gamma点，价带顶位于X点，并且外部应变能有效地控制价带顶的位置从X到Gamma点的移动.Bi₂O₂Se在2%～7%的c轴方向单轴压缩和a轴和b轴方向的（001）面内双轴压缩应变下成为直接带隙半导体.Bi₂O₂Se的带隙宽度可以通过拉伸和压缩应变来调整.施加应变后Bi₂O₂Se的电子带隙在0.5 eV和0.9 eV范围内.此外，载流子的有效质量也可通过应变进行调控.Bi₂O₂Se的载流子迁移率在单轴压缩应变下会显著增加.值得注意的是，在2 K （300 K）温度下，计算的块体Bi₂O₂Se在a（b）方向电子和空穴的载流子迁移率分别为2.05×10～6 cm²V^-1s^-1和0.5×10～5cm²V^-1s^-1,在c方向电子和空穴的载流子迁移率分别为1.8×10～6cm²V^-1s^-1和0.1×10～6cm²V^-1s^-1.本研究有望为设计直接带隙纳米结构和调整其带隙宽度以应用于高性能光电器件提供一条可能的新途径.

关键词

第一性原理 / Bi₂O₂Se / 应变 / 电子性质