理论计算干货：Materials Studio中构建异质结

异质结是半导体领域的重要概念，在半导体器件、光电催化、电池材料经常会碰到复合材料 —— 异质结，由两种不同的半导体单晶材料组成，具有一系列不同单一半导体的特性，例如：整流性、光伏性、光波导效应。异质结催化材料与传统单相催化材料固有的能带结构相比，构建异质结不仅能调控材料的光照吸收阈值，还可以通过调控能带结构实现光生载流子的快速分离，降低电子空穴的复合程度等优点。本期小编主要介绍在 Materials Studio 中构建异质结。
构建异质结首先要看晶格参数的匹配程度, 晶格参数失配率理论上要小于 6 %，否则异质结有可能变形和垮掉。
我们在 Materials Studio 中构建两种材料晶格失配率较小的 ZnSe/Ge 异质结，如图1，两者的晶格矢量方向一致，两者的晶胞参数的失配率为 1.5 %，满足要求，不用扩胞或者旋转，▲图1 异质结中两种材料的晶胞参数
直接进行异质结的构建。如图2 ，构建为surface，对于新的晶格参数使用两者晶胞参数的▲图2 构建 ZnSe/Ge 异质结的过程
平均值，构建完成后将体系加真空层（≥15Å），之后对两种材料间的距离以及相对位置进行调节，距离一般根据实验值或者文献进行调节，此处小编将 Zn-Se 键长调节为 2.487Å，如图3 所示，同时可以通过平移和旋转得到高对称初始结构构型（top、hollow、bridge）。
▲图3 异质结 ZnSe/Ge 模型构建过程
上例是在晶格匹配度较高的情况下直接构建异质结，在晶格匹配度较低的情况下，首先考虑寻找晶格参数相对的最小公倍数（a，b，一般不需要考虑c），分别对两者的 a，b 方向进行扩胞，以下小编将对这种情况进行具体操作，使用异质结BN(111)/graphite 作为例子。

图4 为两种材料的具体晶格参数，两者的匹配度较低，未进行扩胞之前的失配率高达51.8%，因此不能直接构建异质结。将石墨烯的单胞扩大到两倍之后（如图5），两者的失配率为 3.76 %，可以选择构建异质结。构建的具体过程如图5，使用MS构建▲图4 异质结中两种材料的晶胞参数
▲图5 石墨烯的扩胞之后的参数

的过程与上个体系相同，唯一的差别在于生成的晶格矢量匹配到BN的晶格矢量，如图6，一般对于表面负载石墨烯的体系来说，表面单层的石墨烯不会影响体相的晶格▲图6 构建 BN(111)/graphite 异质结的过程
参数，所以小编在此选择匹配到BN的晶格参数。根据文献或者实验调节两种材料之间的距离，之后在给异质结加上真空层（如图7）。▲图7 异质结模型 BN(111)/graphite 构建过程
如果对于形成异质结的两种材料的单胞矢量方向不一致，在建模过程中就需要改变晶格矢量，我们根据文献构建 g-C₃N₄/TiO₂ 异质结（phys.chem.chem. phys.,2016,18,31175），两者的晶胞参数如下，两种材料的单胞矢量方向不同，我们需要改变晶胞的形状和方向，以此来达到两者晶格矢量的匹配度。根据文献，切TiO₂ 的（100）面，并且周期显示为 ▲图8 异质结中两种材料的晶胞参数
4×1，接着根据文献调节晶格矢量, 如图9；同样根据文献改变 g-C₃N₄ 的晶格矢量，如图▲图9 改变 TiO₂ 晶格矢量的过程
▲图10 改变 g-C₃N₄ 晶格矢量过程

10。接着构建 g-C₃N₄/TiO₂ 的异质结，在 build-build layers-Matching 中查看匹配程度。从图11 中可以得到每个矢的量失配率，a 矢量是 8.88 %，b 矢量是4.21 %，角度是 4.21 %。对于二维单层材料的可塑性很好，所以总体的晶格矢量选择匹配 TiO₂（100）晶面的▲图11 g-C₃N₄/TiO₂ 异质结参数及结构

晶格矢量。之后需要在c 方向上加上 15Å 的真空层，这样就得到了我们需要进行计算的异质结模型。


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