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Efficient Carrier Separation and Band Structure Tuning of Two-Dimensional C2N/GaTe van der Waals Heterostructure

异质结 材料科学 光电子学 半导体 带隙 范德瓦尔斯力 纳米电子学 直接和间接带隙 密度泛函理论 兴奋剂 应变工程 电子能带结构 纳米技术 凝聚态物理 化学 物理 计算化学 有机化学 分子
作者
Yujie Bai,Qinfang Zhang,Ning Xu,Kaiming Deng,Erjun Kan
出处
期刊:Journal of Physical Chemistry C [American Chemical Society]
卷期号:122 (28): 15892-15902 被引量:65
标识
DOI:10.1021/acs.jpcc.8b04440
摘要

Efficient carrier separation and suitable band structure are critical for developing better nanoscale optoelectronic devices. However, so far, researchers have not developed a single material system that can satisfy these requirements. Here we design a novel C2N/GaTe van der Waals heterostructure based on the density functional theory. Our results suggest that this heterostructure is an indirect band gap semiconductor (1.39 eV) with intrinsic type-II band alignment, facilitating the separation of photogenerated carriers. Meanwhile, this heterostructure exhibits improved visible optical absorption compared with that of the isolate C2N and GaTe monolayers. More fascinatingly, we find that an intriguing indirect-to-direct band gap semiconductor transition can be induced at the compressive strain of 3%. Simultaneously, the band gaps and carrier effective masses can also be significantly reduced by the biaxial strain. Furthermore, the band edge positions of C2N/GaTe heterostructure can be effectively tuned to straddle the redox potentials of water splitting by isoelectronic anion S and Se substitution at the Te site, and the enhanced optical absorptions are also observed in the doped heterostructures, indicating that S (Se)-doped C2N/GaTe heterostructures are potential photocatalysts for water splitting. In addition, effective spatial separation of photogenerated carriers is expected to occur for all of the above cases. These findings suggest that the C2N/GaTe heterostructure is a promising candidate for application in future nanoelectronics and optoelectronics devices and also provides some valuable information for future experimental research.
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