First-Principle Study on Electronic Structure and Optical Properties and Strain Effects of (SnSe) m /(SnS) n Lateral Heterojunctions

doi:10.16553/j.cnki.issn1000-985x.2025.0231

Abstract

Abstract: In this study， first-principles calculations were employed to construct armchair （AC） and zigzag （ZZ） type lateral heterojunction models， denoted as AC-（SnSe） _m /（SnS） _n and ZZ-（SnSe） _m /（SnS） _n （m/n=1/11， 6/6， 11/1）. The structural stability， electronic structure， optical properities， and strain regulation effects of these heterostructures were systematically investigated. The results show that the band gap of AC-（SnSe） _m /（SnS） _n decreases with increasing m， which is benefical to promote the generation of photoexcited electron-hole pairs and enhances photocatalytic activity. Among all the constructed configurations， only ZZ-（SnSe）₆/（SnS）₆ exhibits a typical type-Ⅱ band alignment structure， which effectively promotes the spatial separation of photogenerated carriers， increases the probability of electron excitation and transfer， and improves the overall optoelectronic performance. Optical absorption spectrum analysis indicates that both ZZ-（SnSe）₆/（SnS）₆ and AC-（SnSe）₆/（SnS）₆ possess stronger polarization responses and better carrier transport potentials， with ZZ-（SnSe）₆/（SnS）₆ displaying a wider optical absorption range and higher absorption intensity. Moreover， strain engineering is demonstrated to further regulate the properties. For AC-（SnSe）₆/（SnS）₆， a +4% tensile strain induces an indirect-to-direct band gap transition， while a -12% compressive strain significantly enhances optical absorption， suggesting superior photocatalytic efficiency. This study reveals the synergistic regulation mechanism of component ratio and strain engineering in SnSe/SnS lateral heterojunction， which provides a theoretical basis for the design of efficient two-dimensional photocatalytic/photovoltaic devices.

Key words: two-dimensional material; electronic structure; optical property; lateral heterojunction; strain; first-principles calculation

CLC Number:

TB34

ZHAO Zhizhou, SU Erqing, WANG Xinxi, ZHOU Xinyuan, ZHANG Lili, ZHAO Xucai. First-Principle Study on Electronic Structure and Optical Properties and Strain Effects of (SnSe) _m /(SnS) _n Lateral Heterojunctions[J]. Journal of Synthetic Crystals, 2026, 55(3): 461-474.

Figures/Tables 14

Fig.1 Side views and top views of ZZ-（SnSe） m /（SnS） n and AC-（SnSe） m /（SnS） n structures

Table 1 Unit-cell parameters of monolayer primitive cell

Material	a/Å	b/Å	c/Å
SnSe	4.30	4.36	11.81
SnS	4.07	4.24	11.37
GeS	3.68	4.40	10.81
GeSe	3.99	4.26	11.31

Table 2 Lattice parameters of different lateral heterojunctions

Parameter	AC						ZZ
Structure	GeS-SnSe	GeS-GeSe	GeS-SnS	SnSe-GeSe	SnSe-SnS	SnS-GeSe	GeS-SnSe	GeS-GeSe	GeS-SnS	SnSe-GeSe	SnSe-SnS	SnS-GeSe
δ/%	12.00	4.80	4.30	8.20	4.10	4.20	3.90	3.10	0.02	0.80	3.70	2.80
E_g/eV	1.413	1.569	1.683	0.815	1.250	1.389	0.891	1.512	1.516	1.192	1.213	1.290

Table 3 Unit-cell parameters of （SnSe） m /（SnS） n lateral heterojunction

Lattice matching direction	m	n	Cell volume/Å³	E_total/eV	E_b/eV
AC	11	1	4 655.309	-125 130.128	-0.967
	6	6	4 655.246	-93 922.853	-0.948
	1	11	4 654.198	-62 499.348	-0.892
ZZ	11	1	4 655.312	-125 128.986	-0.963
	6	6	4 655.218	-93 922.409	-0.941
	1	11	4 655.104	-62 714.791	-0.875

Fig.2 Band gap variation diagram of heterojunctions with different interfacial widths （a） and band gap variation diagram of （SnSe） m /（SnS） n （b）

Fig.3 Band structures of AC-（SnSe）1/（SnS）11， AC-（SnSe）6/（SnS）6， AC-（SnSe）11/（SnS）1， ZZ-（SnSe）1/（SnS）11， ZZ-（SnSe）6/（SnS）6 and ZZ-（SnSe）11/（SnS）1

Fig.4 Density of states diagrams of AC- and ZZ-（SnSe） m /（SnS） n lateral heterojunctions with m/n=1/11， 6/6， and 11/11

Fig.5 Work function diagrams of AC-（SnSe）1/（SnS）11， AC-（SnSe）6/（SnS）6， AC-（SnSe）11/（SnS）1， ZZ-（SnSe）1/（SnS）11， ZZ-（SnSe）6/（SnS）6 and ZZ-（SnSe）11/（SnS）1

Fig.6 Real （a） and imaginary （b） parts of dielectric functions of AC- and ZZ-（SnSe） m /（SnS） n lateral heterojunctions and SnSe （the first number in the numbering is m， and the second number is n）

Fig.7 Optical absorption energy spectra of GeSe-SnS， GeS-GeSe， GeS-SnS， and SnSe-SnS heterojunctions

Fig.8 Optical absorption spectra （a） and optical absorption efficiency curues （b） of AC- and ZZ-（SnSe） m /（SnS） n lateral heterojunctions

Fig.9 Refractive index curves （a） and energy loss spectra （b） of AC- and ZZ-（SnSe） m /（SnS） n lateral heterojunctions

Fig.10 Band structures under uniaxial strains of 0%， +4%， +8%， -12%， -8%， and -4%

Fig.11 Optical absorption spectra under differentuniaxial strains

References 36

[1]	LEWIS N S， NOCERA D G. Powering the planet： chemical challenges in solar energy utilization［J］. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America， 2006， 103（43）： 15729-15735.
[2]	LIU J， LIU Y， LIU N Y， et al. Metal-free efficient photocatalyst for stable visible water splitting via a two-electron pathway［J］. Science， 2015， 347（6225）： 970-974.
[3]	SONG T， WANG J W， SU L， et al. An efficient NiS-ReS₂/CdS nanoparticles with dual cocatalysts for photocatalytic hydrogen production［J］. International Journal of Hydrogen Energy， 2024， 79： 876-882.
[4]	LI Z X， LI C， LIU X M， et al. Simultaneous treatment of trace pollutant and compound pollution using an effective n-ZnO@p-LaFeO₃/3DOM SiO₂ photocatalyst［J］. Separation and Purification Technology， 2025， 354： 128714.
[5]	ZHAO W H， WEN L P， LIU B S. Atmosphere-dependent electron relaxation of the Ag-decorated TiO₂ and the relations with photocatalytic properties［J］. Catalysts， 2023， 13（6）： 970.
[6]	MOHITE S V， KIM S， BAE J， et al. Defects healing of the ZnO surface by filling with Au atom catalysts for efficient photocatalytic H₂ production［J］. Small， 2024， 20（4）： 2304393.
[7]	KOLOKOLOV D， FOMKINA A， PODURETS A， et al. Synthesis and characterization of La-doped SnO₂ nanoparticles with different shape： a comprehensive study on morphology， structure， and photocatalytic efficiency for eco-friendly wastewater treatment［J］. Ceramics International， 2024， 50（17）： 29686-29702.
[8]	ZHANG H D， BALAJI Y， NALIN MEHTA A， et al. Formation mechanism of 2D SnS₂ and SnS by chemical vapor deposition using SnCl₄ and H₂S［J］. Journal of Materials Chemistry C， 2018， 6（23）： 6172-6178.
[9]	TIAN Z， GUO C L， ZHAO M X， et al. Two-dimensional SnS： a phosphorene analogue with strong in-plane electronic anisotropy［J］. ACS Nano， 2017， 11（2）： 2219-2226.
[10]	徐中辉，许晟源，刘川川，等. 单层SnS的光电效应及应变工程的第一性原理研究［J］. 人工晶体学报， 2024， 53（4）： 676-683.
	XU Z H， XU S Y， LIU C C， et al. First-principles study on photogalvanic effect and strain engineering of monolayer SnS［J］. Journal of Synthetic Crystals， 2024， 53（4）： 676-683 （in Chinese）.
[11]	LIN L， CHEN Y J， LI L X， et al. First-principles study of magnetic and optical properties in dopant-doped two-dimensional SnS₂ ［J］. Journal of Magnetism and Magnetic Materials， 2022， 555： 169303.
[12]	LIU D， CHEN S T， LI R J， et al. Review of Z-scheme heterojunctions for photocatalytic energy conversion［J］. Acta Physico Chimica Sinica， 2020： 2010017.
[13]	WU X X， TANG Y B， CHEN F Y， et al. Fabrication and photocatalytic properties of a novel Z-scheme heterojunction ZIF-67/SnS₂ ［J］. Journal of Physics and Chemistry of Solids， 2024， 192： 112100.
[14]	解忧，肖潇飒，姜宁宁，等. 二维BC₆N/BN横向异质结的电学输运性质研究［J］. 人工晶体学报， 2025， 54（5）： 825-831.
	XIE Y， XIAO X S， JIANG N N， et al. Electrical transport properties of two-dimensional BC₆N/BN lateral heterostructure［J］. Journal of Synthetic Crystals， 2025， 54（5）： 825-831 （in Chinese）.
[15]	LI Y， LIU L Z， HUANG X M. Engineering the flexibility of graphene/h-BN lateral heterojunctions［J］. Journal of Physics： Conference Series， 2024， 2686（1）： 012005.
[16]	SUTTER E， SUTTER P. Integration of layered group IV selenides： from SnSe-SnSe_2- _x S _x core-shell crystals to complex （SnSe-SnSe_2- _x S _x ）-GeSe van der waals heterostructures［J］. Materials Today Chemistry， 2024， 38： 102064.
[17]	CHENG Y C， TANG P T， LIANG P， et al. Sulfur-driven transition from vertical to lateral growth of 2D SnS-SnS₂ heterostructures and their band alignments［J］. The Journal of Physical Chemistry C， 2020， 124（50）： 27820-27828.
[18]	SHANG Z X， WANG K M， LI M H. Tunable electronic and optical properties of new two-dimensional Blue P/MoSe₂ van der Waals heterostructures with the potential for photocatalysis applications［J］. Chemical Physics Letters， 2021， 777： 138740.
[19]	PENG L， WANG C， QIAN Q， et al. Complete separation of carriers in the GeS/SnS lateral heterostructure by uniaxial tensile strain［J］. ACS Applied Materials & Interfaces， 2017， 9（46）： 40969-40977.
[20]	ZHUANG Q Y， LI J， HE C Y， et al. Type-II lateral SnSe/GeTe heterostructures for solar photovoltaic applications with high efficiency［J］. Nanoscale Advances， 2021， 3（12）： 3643-3649.
[21]	TARIQ A， BILAL TAHIR M， DAHSHAN A， et al. Lithium doping effect on structural， electronic and optical properties of KCaF₃ fluoroperovskite： DFT insights using GGA-PBE［J］. Inorganic Chemistry Communications， 2023， 158： 111475.
[22]	PUTUNGAN D B， LIN S H. Structural properties of small Li _n （n=5-8） atomic clusters via ab initio random structure searching： a look into the role of different implementations of long-range dispersion corrections［J］. International Journal of Modern Physics B， 2018， 32（2）： 1850009.
[23]	HASANAH L， NANDIYANTO A B D， MULYANTI B， et al. Effect of crystal orientation on tunneling currents in an anisotropic Si/Si_0.5Ge_0.5/Si heterostructure with a nanometer-thick barrier［J］. Materials Today： Proceedings， 2018， 5（5）： 13711-13717.
[24]	PAN Q G， TONG Z P， SU Y Q， et al. Flat-zigzag interface design of chalcogenide heterostructure toward ultralow volume expansion for high-performance potassium storage［J］. Advanced Materials， 2022， 34（39）： 2203485.
[25]	PANG Q， QIAN J J， TANG Y X， et al. First principles study on the type-II g-C6N6/PtSSe heterojunction： a potential photocatalyst for overall water splitting［J］. Materials Today Communications， 2024， 40： 109685.
[26]	GOMES L C， CARVALHO A， CASTRO NETO A H. Enhanced piezoelectricity and modified dielectric screening of two-dimensional group-IV monochalcogenides［J］. Physical Review B， 2015， 92（21）： 214103.
[27]	陈新毅，帅美荣，王建梅，等. 非共格金属复合界面原子迁移扩散分子动力学模拟［J］. 复合材料学报， 2025， 42（4）： 2327-2337.
	CHEN X Y， SHUAI M R， WANG J M， et al. Molecular dynamics simulation of atomic migration and diffusion in composite interface for non-coherent metals［J］. Acta Materiae Compositae Sinica， 2025， 42（4）： 2327-2337 （in Chinese）.
[28]	NGUYEN S T， HIEU N V， LE-QUOC H， et al. First-principles investigations of the controllable electronic properties and contact types of type II MoTe₂/MoS₂ van der Waals heterostructures［J］. Nanoscale Advances， 2024， 6（14）： 3624-3631.
[29]	LAU K W， CALVIN， GONG Z R， et al. Interface excitons at lateral heterojunctions in monolayer semiconductors［J］. Physical Review B， 2018， 98（11）： 115427.
[30]	FEI R X， LI W B， LI J， et al. Giant piezoelectricity of monolayer group IV monochalcogenides： SnSe， SnS， GeSe， and GeS［J］. Applied Physics Letters， 2015， 107（17）： 173104.
[31]	MA Y Q， BAO A D， GUO X， et al. Carrier mobility and optical properties of a type-II GaSe/ZnS heterostructure as a photocatalyst： a first-principles study［J］. Physical Chemistry Chemical Physics， 2024， 26（20）： 14980-14990.
[32]	鲍爱达，马永强，郭　鑫. GaSe/ZnS异质结的结构和界面性质的第一性原理研究［J］. 人工晶体学报， 2024（4）： 669-675.
	BAO A D， MA Y Q， GUO X. First principles study on the structure and interface properties of GaSe/ZnS heterostructure［J］. Journal of Synthetic Crystals， 2024（4）： 669-675 （in Chinese）.
[33]	ZHAO Y S， YANG L， SUN S H， et al. Effect of non-metal doping on the optoelectronic properties of ZrS₂/ZrSe₂ heterostructure under strain： a first-principles study［J］. Journal of Molecular Modeling， 2024， 30（6）： 167.
[34]	ZHAO Y P， TAN S L， OUYANG G. Strain-engineered photoelectric conversion properties of lateral monolayer WS₂/WSe₂heterojunctions［J］. Journal of Physics D： Applied Physics， 2021， 54（14）： 145107.
[35]	苏进楠，陈俊杰，潘　敏，等. 应变和电场调控HfSe₂/PtSe₂异质结的电子结构［J］. 中国科学：物理学力学天文学， 2021， 51（8）： 96-103.
	SU J N， CHEN J J， PAN M， et al. Tuning the electronic properties of HfSe₂/PtSe₂ heterostructure using electric field and biaxial strain［J］. Scientia Sinica （Physica， Mechanica & Astronomica）， 2021， 51（8）： 96-103 （in Chinese）.
[36]	KANER N T， WEI Y D， JIANG Y J， et al. Enhanced shift currents in monolayer 2D GeS and SnS by strain-induced band gap engineering［J］. ACS Omega， 2020， 5（28）： 17207-17214.