Be2C/WSi2N4异质结构电子结构和光学性质的第一性原理研究

doi:10.16553/j.cnki.issn1000-985x.2026.0045

摘要/Abstract

摘要： 为了揭示Be₂C/WSi₂N₄异质结构的微观界面机制及其对外部应变的响应规律，进而为新型可调谐光电子器件设计提供理论支撑，本文采用基于密度泛函理论的第一性原理计算，对Be₂C/WSi₂N₄异质结构的电子结构、光学性质及双轴应变调控效应进行了系统研究。结果表明，与单层材料相比，Be₂C/WSi₂N₄异质结构呈现出典型的Ⅱ型能带排列，并在界面处形成由Be₂C指向WSi₂N₄的内建电场，有效促进了光生载流子的空间分离。光学性质计算结果表明，异质结构的光吸收能力显著优于单层材料，吸收系数峰值达22.0×10⁵ cm^-1。在施加-4%~+4%双轴应变时，拉伸应变使带隙减小、吸收谱红移，而压缩应变则导致带隙增大、吸收谱蓝移，应变对能带类型的转变也产生显著影响。本研究为以Be₂C/WSi₂N₄为代表的二维异质结构在可调谐光电子器件中的应用提供了理论依据。

关键词: Be₂C/WSi₂N₄; 异质结构; 第一性原理; 电子结构; 光学性质; 应变调控

Abstract: In order to reveal the microscopic interface mechanism of Be₂C/WSi₂N₄ heterostructure and its response to external strain， and further to provide theoretical support for the design of novel tunable optoelectronic devices， this paper systematically investigated the electronic structure， optical properties and biaxial strain modulation effects of Be₂C/WSi₂N₄ heterostructure by employing first-principles calculations based on density functional theory. The results indicate that compared with monolayer materials， the Be₂C/WSi₂N₄ heterostructure exhibits a typical type-Ⅱ band alignment， and a built-in electric field pointing from Be₂C to WSi₂N₄ is formed at the interface， which effectively promotes the spatial separation of photogenerated carriers. The calculated results of optical properties demonstrate that the heterostructure possesses a remarkably enhanced light absorption capacity in contrast with monolayer materials， and its maximum absorption coefficient reaches 22.0×10⁵ cm^-1. Within the biaxial strain range from -4% to +4%， the tensile strain reduces the band gap and induces a red shift of the absorption spectrum， while the compressive strain increases the band gap and leads to a blue shift of the absorption spectrum. In addition， the strain exerts a prominent effect on the transition of band gap types. This research offers a theoretical basis for the application of two-dimensional heterostructures represented by Be₂C/WSi₂N₄ in tunable optoelectronic devices.

Key words: Be₂C/WSi₂N₄; heterostructure; first-principle; electronic structure; optical property; strain modulation

中图分类号:

O469

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图/表 9

图1 Be2C和WSi2N4的结构俯视图和侧视图。（a）单层Be2C；（b）单层WSi2N4

Fig.1 Structure top and side views of Be2C and WSi2N4. （a） Monolayer Be2C；（b） monolayer WSi2N4

图2 不同堆垛方式的Be2C/WSi2N4异质结构模型

Fig.2 Be2C/WSi2N4 heterostructure models with different stacking methods

表1 Be2C/WSi2N4异质结构的六种堆垛模型的晶格常数（a、b）、层间距（d）和结合能（Eb）

Table 1 Lattice constants （a， b）， interlayer distance （d） and binding energy （Eb） for six stacking models of Be2C/WSi2N4 heterostructure

Model	a（=b）/Å	d/Å	E_b/（meV·Å^-2）
A	5.84	2.751	-6.225
B	5.84	2.763	-5.673
C	5.84	2.029	-4.263
D	5.86	1.873	-3.485
E	5.86	1.880	-5.198
F	5.86	1.884	-5.062

图3 异质结能带结构。（a）Be2C；（b）WSi2N4；（c）Be2C/WSi2N4

Fig.3 Band structures of heterostructure. （a） Be2C；（b） WSi2N4；（c） Be2C/WSi2N4

图4 Be2C/WSi2N4异质结构的声子色散谱（a）和Be2C/WSi2N4异质结构在300 K下AIMD经过12 ps模拟得到的能量与温度波动曲线（b）

Fig.4 Phonon dispersion spectra of Be2C/WSi2N4 heterostructure （a） and energy and temperature fluctuation curves obtained from AIMD simulation of Be2C/WSi2N4 heterostructure at 300 K for 12 ps （b）

图5 Be2C/WSi2N4异质结构的电子结构特性。（a）投影能带结构；（b）分态密度和总态密度；（c）平面平均静电势；（d）平面平均差分电荷密度

Fig.5 Electronic structure properties of Be2C/WSi2N4 heterostructure. （a） Projected band structure；（b） partial density of states and total density of states；（c） planar-averaged electrostatic potential；（d） planar-averaged charge density difference

图6 Be2C/WSi2N4异质结构的光吸收系数随光子能量的变化

Fig.6 Optical absorption coefficient of Be2C/WSi2N4 heterostructure as a function of photon energy

图7 在-4%~+4%双轴应变下Be2C/WSi2N4异质结构的能带结构

Fig.7 Band structures of Be2C/WSi2N4 heterostructure under biaxial strain ranging from -4% to +4%

图8 在-4%~+4%双轴应变下Be2C/WSi2N4异质结构的吸收光谱

Fig.8 Absorption spectra of Be2C/WSi2N4 heterostructure under biaxial strain ranging from -4% to +4%

参考文献 42

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Be₂C/WSi₂N₄异质结构电子结构和光学性质的第一性原理研究

First-Principles Study on Electronic Structure and Optical Properties of Be₂C/WSi₂N₄ Heterostructure

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