Npj Comput. Mater.: 一维范德华异质结很迷人，但曲率如何改变电子性质太劳神！

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对于半导体异质结，其中两种半导体材料的能带对齐类型直接影响其实际应用领域和范围。常见的半导体能带对齐类型包括三种：跨骑 (I型), 交错 (II型)， 以及错层 (III型)，如图1所示。在I型能带对齐中，异质结能带的价带顶和导带底均位于带隙较小的半导体材料上。在带隙较大的材料上激发的电子和空穴可自发移动到带隙较小的材料后发生辐射复合。因此，具有I型能带对齐方式的异质结可用于制备发光器件。而对于II型能带对齐，异质结的导带底和价带顶位于不同的材料上，使得电子与空穴发生空间分离。因此，具有II型能带对齐的异质结可用于制备光伏和光探测器件。2020年，半导体一维范德华异质结被成功合成，其中管径小至3.9纳米的单晶二硫化钼纳米管可同轴生长在单壁碳管或氮化硼纳米管外。了解一维范德华异质结中同轴纳米管之间的能带对齐，是探索和发现这些新型异质结构中独特现象与功能的关键一步。

来自中国西湖大学工学院的李文彬教授团队利用第一性原理计算方法，系统研究并阐明了曲率对钼基和钨基过渡金属二硫化物(TMDC) 一维范德华异质结中能带对齐的影响。该研究发现，对于单独的TMDC纳米管，随着纳米管直径的缩小，其导带底能量呈现单调下降的趋势，而价带顶能量先下降再上升。这一现象源自曲率诱导的挠曲电效应以及纳米管周向固有拉伸应变的协同作用。相较于绝大多数TMDC二维范德华异质结所呈现的II型能带对齐，对于TMDC一维范德华异质结，在曲率影响纳米管带边能级的基础上，挠曲电电压导致的管间耦合可使MoSe₂@WS₂, MoTe₂@MoSe₂, 以及MoTe₂@WS₂等多个异质结体系在不同曲率下出现从II型到 I型能带对齐类型的转变，如图2所示。因此，通过曲率的控制，TMDC一维范德华异质结有可能在同一材料体系中实现发光和光探测功能的集成。该研究为理解一维范德华异质结中的能带对齐奠定了重要的理论基础，并为合理设计一维同轴TMDC范德华异质结铺平了道路。

该文近期发表于npj Computational Materials 9,: 92(2023)，英文标题与摘要如下，点击左下角“阅读原文”可以自由获取论文PDF。

图1：常见的半导体能带对齐类型：跨骑 (I型), 交错 (II型)，以及错层 (III型)。红色和蓝色分别代表半导体材料的导带和价带。

图2：曲率导致的过渡金属二硫化物（TMDC）一维范德华异质结能带对齐类型转变的示意图。当TMDC纳米管的管径（D）减小时，一些异质结体系的能带对齐类型可发生从II型到I型的转变。

Curvature-controlled band alignment transition in 1D van der Waals heterostructures

Shu Zhao, Chunxia Yang, Ziye Zhu, Xiaoping Yao & Wenbin Lig

The effect of curvature on the band alignment of one-dimensional (1D) van der Waals (vdW) transition metal dichalcogenide (TMDC) heterostructures is studied by comprehensive first-principles calculations. We find that, as the diameter of a TMDC nanotube decreases, the combined effect of curvature-induced flexoelectricity and circumferential tensile strain causes a rapid lowering of the conduction band minimum, whereas the valence band maximum exhibits an initial lowering before rising. As individual TMDC nanotubes form coaxial heterostructures, the concerted effect of diameter-dependent band-edge levels and intertube coupling via flexovoltage can result in a transition of intertube band alignment from Type II to Type I in multiple heterostructural systems, including large-diameter MoSe2@WS2, MoTe2@MoSe2, and MoTe2@WS2 heterostructures. These results lay down a foundation for the rational design of 1D vdW heterostructures.