研究目的
通过基于密度泛函理论（DFT）的方法，研究褶皱硫化镉（CdS）单层材料在超高压电性、激子太阳能电池效率及热电性能方面的潜力。
研究成果
硫化镉双层结构展现出在纳米电子学和能量收集领域应用的卓越潜力，具有高压电性、高效的太阳能转换能力以及优异的热电性能。其全方位的稳定性和多功能特性使其成为下一代器件的理想材料。
研究不足
该研究是理论性的，基于计算模型。需要通过实验验证来确认CdS双层结构在实际应用中预测的属性和性能。
通过微调褶皱硫化镉单层界面间的物理特性，以实现超高压电性、激子太阳能电池效率及热电性能
DOI：10.1021/acsami.0c00864
期刊：ACS Applied Materials & Interfaces
出版年份：2020
更新时间：2025-09-23 15:21:01
摘要：
异质结构界面在不同应用中常被研究。有趣的是，同种材料单层以非常规方式堆叠可产生新奇特性。例如研究发现，特定顺序堆叠的CdS单层在将纳米机械能、太阳能和废热转化为电能方面展现出前所未有的潜力，本研究采用基于密度泛函理论的方法对此进行了系统探究。此外，兼具稳定性和强大多能转换能力的超薄结构十分稀缺。弯曲结构中对称性破缺诱导产生的超高面外压电性（|d33|~56 pm/V）超越了先前报道的纤锌矿型GaN、AlN及Mo/W基双硫族化合物Janus多层结构。压电系数主要取决于两层间的相对堆叠方式。
CdS双层是带边跨越水氧化还原电位的直接带隙半导体，因而具有光催化应用的热力学优势。应变工程使其在覆盖于磷化硼单层的CdS双层中从I型转变为II型半导体，理论计算显示该二维激子太阳能电池在填充因子0.8时的功率转换效率（PCE）超过27%，远高于ZnO/CdS/CuInGaSe太阳能电池（20%效率）。通过结合形变势理论的恒定弛豫时间近似下电子/声子半经典玻尔兹曼输运方程研究发现：由于重元素Cd的存在、强非谐性（长波声子高格林艾森参数、声子寿命<5皮秒）、低声子群速度（4 km/s）及低德拜温度（260 K），室温热导率极低（~0.78 Wm-1K-1），低于哑铃硅烯（2.86）、SnS2（6.41）、SnSe2（3.82）和SnP3（4.97 Wm-1K-1）。CdS双层在p型和n型掺杂下分别呈现~0.8和~0.7的室温热电优值（ZT），其超高载流子迁移率（μe~2270 cm2V-1s-1）高于单层MoS2并与InSe相当。第一性原理分子动力学模拟、声子色散及Born-Huang稳定性准则验证的全方位稳定性，连同这些优异特性，凸显了CdS双层在下一代纳米电子器件和能量收集领域应用的卓越潜力。
作者：
Manish Kumar Mohanta，Abir De Sarkar
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