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作者根据异质结的结合能、电荷密度差和电子局域函数图，发现WS2和IGZO单分子层间的相互作用是非共价、且具有较大结合能。计算结果表明，AAii结构的间接带隙为1.643 eV，而AAi和AB结构的最大直接带隙分别为1.102 eV和1.234 eV。在外加电场和机械应变作用下，WS2/IGZO异质结构的带隙在大范围内单调下降，甚至存在半导体向金属的过渡的趋势。另外，该文章研究了异质结构的光学性质，发现它具有非常广泛的光谱响应(由可见光至深紫外光)，并且与WS2和IGZO的单分子层相比，具有更明显的光学吸收。此外，拉伸应变可以减弱异质结对紫外光的光响应，增强对可见光的响应；在压缩应变作用下，紫外光下的异质结表现出很强的吸收峰。同时，在外部应变作用下观察到了红移。这些独特的、可调的特性表明，WS2/IGZO异质结是制备场效应晶体管、柔性传感器、光电探测器、光子器件等纳米电子器件和光电子器件的良好候选材料。
二维过渡金属双卤族化合物(TMDCs)以其独特的物理性能和广泛的应用而倍受关注。二硫化钨(WS2)是一个典型的TMDCs材料，具有S-W-S三层原子结构，其间接带隙为1.9 eV。这些特性使WS2在电子学和光电子学中都具有巨大的应用潜力。然而，基于WS2的器件由于传输路径大、光响应范围有限，其性能往往不能满足实际应用的需要。为了改善基于WS2器件的性能，由两个或多个半导体构成的半导体异质结得到了广泛的应用。一般情况下，两接触层界面的电输运特性对电场、光照、气体吸附和应变等外界干扰非常敏感。因此，WS2/层状材料和WS2/金属氧化物半导体异质结被用于改善光电性能。Yu等人提出了一种MoS2/WS2异质结，表现出高效的激子分离和强的光吸收。Huo等人证明了经正方WO3表面功能化的WS2纳米片可以显著提高光催化活性。Kim等证明了1L-TMD/ZnO异质结可以使光致发光增加17倍，在光子器件中具有巨大的应用潜力。在多种多样的异质结中，由MS2 (M = Mo和w)和金属氧化物层形成的异质结，由于其大的带隙和可调性而引人注目。铟镓锌氧化物(IGZO)作为一种典型的金属氧化物络合物半导体，具有较宽的带隙（大约3.5eV在300K时）、高载流子迁移率(大约35.8 cm2 V-1 s-1)、稳定性好的特点。因此，它已成功地用于商业显示面板和光电晶体管。由于大多数金属氧化物衬底通过界面引起电荷交换增加，因此IGZO可能有助于改善WS2的电学、光学和传感性能。此外，IGZO具有类石墨烯六角结构与WS2结构也类似，非常适合将二者组合为异质结。然而对这种异质结的研究却很少。
此外，界面的堆叠方式对异质结的物理性能起着至关重要的作用。结果表明，堆叠方式可以有效地调节两种叠加材料之间的界面态和波函数耦合，最终改变声子振动。因此，研究层间电荷转移来优化异质结是非常有必要的。一般来说异质结可以由AA、AB和ABC三种方式堆放。在AB堆叠的形式中，一半的原子直接位于衬底中六边形的中心，一半的原子位于原子之上，而在AA形式中，层是完全对齐的。对于基于WS2的异质结构，通过实验和理论分析表明，MoS2/WS2双分子层的AB和AA堆叠方式具有更强的机械耦合。因此本文只关注AA和AB两种堆叠方式。
图文导读
所有结构弛豫和电子性质的第一性原理计算都是基于Materials Studio的DMol3模块。
图一WS2/IGZO异质结AAi、AAii和AB三种不同堆叠方式的示意图，上面为顶视图，下面为侧视图。
图二IGZO、单层WS2和AAi、AAii、AB三种堆叠方式WS2/IGZO异质结的能带图。
图三WS2/IGZO异质结三种堆叠结构AAi(上)、AAii(中)和AB(下)的态密度。费米能级被设为零。
图四WS2/IGZO异质结顶视和侧视图的差分电荷密度，AAi(a)、AAii(b)和AB(c)。蓝色和黄色分别代表电荷积聚和耗尽，且等值面设置为0.0015 e Å-3。
图五WS2/IGZO异质结AAi(a)、AAii(b)和AB(c)构型的电子局域函数等值线图。
图六（a）外加电场的WS2/IGZO异质结构示意图，两个箭头表示电场的方向。WS2/IGZO异质结带隙(b)和结合能(c)对应电场的函数图。（c）电荷从WS2转移到IGZO与电场的函数。
图七WS2/IGZO异质结AAi、AAii和AB 堆积方式的应变能(a-c)和带隙(d-f)随应力的变化。(b)的插图是AAii结构在a-和b-方向上施加机械应力的示意图。
图八WS2单分子层、IGZO与WS2/IGZO异质结AAi、AAii和AB 三种堆积方式的介电函数的虚部ε2（a）和吸附系数α（b）。
图九外部机械应力对WS2/IGZO异质结AAi (a-c)和AB(d-f)堆叠方式的介质函数虚部ε2的影响。(a和d)为a方向的单轴应变，(b和e)为b方向的单轴应变，(c和f)为双轴应变。
小结
总之，通过密度泛函计算，研究了WS2/IGZO异质结的结构、电子和光学性质。结合能和层间距离表明，WS2和IGZO单分子层通过非共价相互作用结合，结合强度增强。研究结果表明，AAii堆叠方式的间接带隙为1.643 eV，而AAi和AB堆叠方式的直接间隙分别为1.102 eV和1.234 eV。在正负两个方向上，随着电场的增加，带隙呈现出近似线性的减小，导致半导体-金属的过渡。此外，在不同的电场下，异质结的结构具有很强的稳定性，在场效应晶体管中具有很大的应用潜力。对于机械应变，研究了不同堆叠方式的异质结构在单轴和双轴应变下-10 ~ 10%的弹性变形。随着压缩应变的增大，带隙先增大后减小。同时，带隙与拉伸应变呈线性关系。此外，我们发现异质结构表现出更广泛的光谱响应（从可见光到深紫外光）与WS2和IGZO单分子层相比，具有更明显的光学吸收。在外加应力作用下，异质结构的光学性质明显增强。拉伸应变可以减弱异质结对紫外光的光响应，提高对可见光的响应；压缩应变的异质结在紫外光中表现出很强的吸收峰。此外，在外部应力存在时也观察到红移。这些独特的、可调的特性表明，WS2/IGZO异质结是制备场效应晶体管、柔性传感器、光电探测器、光子器件等纳米电子器件和光电子器件的良好候选材料。
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论文信息
Hongyu Tang,Chunjian Tan,Huiru Yang, Kai Zheng, Yutao Li,Huaiyu Ye, Xianping Chen,Xuejun Fan,Tianling Ren and Guoqi Zhang，Tunable electronic and optical properties of the WS2/IGZO heterostructure via an external electric field and strain: a theoretical study，Received 13th April 2019,Accepted 3rd June 2019
DOI: 10.1039/c9cp02084e
