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随着可穿戴设备的普及和物联网设备的广泛应用，依赖外部电源实现光电检测的传统光电探测器面临着高暗电流和小开关比等问题的挑战。因此，具备自供电能力的光电探测器的性能成了限制光电探测器更广泛应用的关键。经过十多年的发展，具备自供电能力的光电探测器在集成性、柔性和稳定性等方面都取得了重要的进展，但是其效率仍然受到极大制约。近几年，异质结构由于其多组份之间协同工作展现的优异性能，使其在自供电光电探测器的理性设计上展现了巨大的前景和价值。本文基于新型二维材料构建了不同维度堆积的异质结构，采用第一性原理方法和非绝热分子动力学方法，针对光生载流子在异质结中的转移过程，系统研究了界面效应对异质结电子结构的影响和应变对异质结光电特性的调控，为设计和制备高性能自供电光电探测器提供了理论支撑。

第1章  绪论 ............................................................................................................. 001 
1.1  智能时代光电探测器面临的问题与挑战 .................................................. 002 
1.2  基于二维材料自供电光电探测器的研究进展 .......................................... 003 
1.2.1  二维材料 ......................................................................................... 004 
1.2.2  二维材料在光电探测器方面的应用研究 ...................................... 010 
1.2.3  二维材料异质结在自供电光电探测器方面的研究进展 .............. 012 
本章参考文献 ...................................................................................................... 014 
第2章  理论基础和计算工具 ................................................................................ 021 
2.1  自供电光电探测器的基本原理及其应用 .................................................. 022 
2.1.1  自供电 ............................................................................................. 022 
2.1.2  光电探测器的分类 .......................................................................... 023 
2.1.3  光电探测器的性能参数 .................................................................. 023 
2.1.4  光电探测器的应用 .......................................................................... 024 
2.2  计算的基本方法 ......................................................................................... 025 
2.2.1  密度泛函理论概述 .......................................................................... 025 
2.2.2  分子动力学概述 .............................................................................. 031 
2.2.3  有效质量和光吸收系数 .................................................................. 033 
2.3  计算软件简介 ............................................................................................. 034 
2.3.1  VASP 软件 ...................................................................................... 034 
2.3.2  Hefei-NAMD 软件 ......................................................................... 034 
本章参考文献 ...................................................................................................... 035 
第3章  应变对GaSe/SnS2异质结自供电及光电特性的影响 ........................ 041 
3.1  引言 ............................................................................................................. 042 
3.2  计算方法与细节 ......................................................................................... 044 
3.3  计算结果与讨论 ......................................................................................... 044 
3.3.1  GaSe和SnS2单层的电子结构计算 ............................................... 044 
基于新型二维材料异质结电子结构及光电特性的理论研究 
VI 
3.3.2  GaSe/SnS2异质结的几何结构及稳定性 ........................................ 046 
3.3.3  GaSe/SnS2异质结的界面效应及光吸收性质 ................................ 047 
3.3.4  GaSe/SnS2异质结的电荷转移和自供电效应 ................................ 049 
3.3.5  应变对GaSe/SnS2异质结自供电效应及光电特性的调控 ........... 052 
3.4  本章小结 ..................................................................................................... 059 
本章参考文献 ...................................................................................................... 059 
第4章  高性能InSe/BP异质结的自供电和快速光响应的分子动力学 ........ 065 
4.1  引言 ............................................................................................................. 066 
4.2  计算方法与细节 ......................................................................................... 067 
4.3  计算结果与讨论 ......................................................................................... 068 
4.3.1  InSe/BP异质结的堆叠结构及稳定性分析 .................................... 068 
4.3.2  InSe/BP异质结的能带结构排列及光吸收性质 ............................ 070 
4.3.3  InSe/BP异质结的功函数及自供电效应 ........................................ 074 
4.3.4  InSe/BP异质结界面超快载流子转移的分子动力学 .................... 076 
4.3.5  双轴应变对InSe/BP异质结光电特性的调控 ............................... 081 
4.4  本章小结 ..................................................................................................... 083 
本章参考文献 ...................................................................................................... 084 
第5章  2D/2D BP/Cs2SnI4异质结的设计和光电特性 ..................................... 089 
5.1  引言 ............................................................................................................. 090 
5.2  计算方法与细节 ......................................................................................... 091 
5.3  计算结果与讨论 ......................................................................................... 091 
5.3.1  BP/Cs2SnI4异质结的结构设计 ....................................................... 091 
5.3.2  BP/Cs2SnI4异质结的电子结构及光吸收性质 ............................... 094 
5.3.3  BP和Cs2SnI4异质结的电荷转移及自供电效应 .......................... 097 
5.3.4  双轴应变对 BP/Cs2SnI4 异质结光电特性的影响 ........................ 101 
5.4  本章小结 ..................................................................................................... 107 
本章参考文献 ...................................................................................................... 108 
第6章  2D/3D Cs2SnI2Cl2/Cs2TiI6异质结的光电特性和载流子输运 ............ 113 
6.1  引言 ............................................................................................................. 114 
6.2  计算方法与细节 ......................................................................................... 115 
6.3  计算结果与讨论 ......................................................................................... 117 
目  录 
VII 
6.3.1  Cs2SnI2Cl2/Cs2TiI6异质结的稳定性和电子结构分析 ................... 117 
6.3.2  Cs2SnI2Cl2/Cs2TiI6异质结的自供电效应 ....................................... 122 
6.3.3  Cs2SnI2Cl2/Cs2TiI6异质结载流子转移的分子动力学 ................... 122 
6.3.4  双轴应变对Cs2SnI2Cl2/Cs2TiI6异质结光电特性的影响 .............. 129 
6.4  本章小结 ..................................................................................................... 134 
本章参考文献 ...................................................................................................... 134 
第7章  2D/2D/2D GaN/WS2/MoS2异质结的界面效应及分子动力学 .......... 141 
7.1  引言 ............................................................................................................. 142 
7.2  计算方法与细节 ......................................................................................... 143 
7.3  计算结果与讨论 ......................................................................................... 144 
7.3.1  GaN/WS2/MoS2异质结的堆叠结构 ............................................... 144 
7.3.2  界面效应对GaN/WS2/MoS2异质结的影响 .................................. 146 
7.3.3  GaN/WS2/MoS2异质结的分子动力学 ........................................... 152 
7.3.4  双轴应变对GaN/WS2/MoS2异质结光电特性的影响 .................. 160 
7.4  本章小结 ..................................................................................................... 163 
本章参考文献 ...................................................................................................... 164 
第8章  总结与展望 ................................................................................................. 169 
8.1  总结 ............................................................................................................. 170 
8.2  展望 ............................................................................................................. 172 
附录A  关键词索引 ................................................................................................. 173

前  言 
随着智能可穿戴设备的普及和物联网设备的广泛应用，依赖外部电源实现光电检测的传统光电探测器面临着高暗电流和小开关比等问题的挑战。因此，具备自供电能力的光电探测器的性能成为限制光电探测器应用范围的关键因素。
经过十多年的发展，具备自供电能力的光电探测器在集成性、柔性和稳定性等方面都取得了重要的进展。 
设计和开发能够满足实际生活需求的高性能和自供电光电探测器一直是研究者们孜孜不倦追求的目标。目前，要使自供电光电探测器在智能可穿戴设备上得到实际应用，还有许多问题需要解决。一方面，深入理解载流子输运机制
和调控（应变）异质结的电子结构是增强自供电（可持续）能力的关键；另一方面，深入探索和提升光电探测器的探测性能（快的光响应速度、宽的光探测范围和高的光吸收系数等）是实现智能可穿戴设备必须解决的问题。因此，迫
切需要研制新型材料及相关构型来提高光电探测器的各项性能，从而满足市场对智能可穿戴设备的实际需求。 
本书主要围绕新型二维材料异质结光电探测器的性能改善及载流子的转移和自供电机理进行研究，以设计高性能（快的光响应速度、宽的光探测范围、高的光吸收系数等）和自供电光电探测器为目的。一方面，通过理论方法深入
探究和解释了实验中发现的自供电及超快光响应等现象。另一方面，利用新型二维材料构建了几种不同堆积结构的Ⅱ类异质结，通过应变调控发现其具备较强的自供电和较宽的光谱探测能力。另外，利用非绝热分子动力学探索了载流
子分离及复合的竞争机制，为高性能自供电光电探测器的设计及其在智能可穿戴设备中的应用提供了理论依据。全书共8章：第1章概述了智能时代光电探测器面临的问题和挑战，介绍了二维材料及其异质结在自供电光电探测器中的
研究进展；第2章介绍了自供电光电探测器的基本原理、计算中用到的理论方法和本书中用到的计算软件等；第 3 章利用 GaSe 单层和 SnS2单层构建了GaSe/SnS2异质结，通过第一性原理计算了异质结的电子结构和光学性质，不仅验证了实验中发现的P-N型异质结，解释了GaSe/SnS2异质结的高性能，而且从理论上分析了异质结的自供电能力及应变对其光电特性的调控作用；第4章利用InSe单层和单层黑磷（BP）构建了范德瓦尔斯InSe/BP异质结，分析了界面效应对异质结内置电场和自供电能力的影响，通过非绝热分子动力学解释了实验中发现的快速光响应现象，并研究了双轴应变对InSe/BP异质结光电特性的调控；第5章基于全无机二维钙钛矿Cs2SnI4与单层黑磷（BP）构建了异质界面Cs-I-BP和Sn-I-BP，比较分析了两个界面的结构稳定性、能带结构排列及载流子转移情况，全面讨论了双轴应变对能带结构、自供电能力和光吸收系数的影响；第6章基于全无机二维钙钛矿Cs2SnI2Cl2和三维钙钛矿Cs2TiI6设计了2D/3D 混合钙钛矿异质结，利用GGA-1/2方法描述了异质结的能带结构及光学性质，分析了界面处载流子的分离及复合之间的竞争作用对异质结光电特性的影响，并利用双轴应变调控了异质结的内置电场和光电特性；第7章基于单层GaN、单层WS2和单层MoS2构建了2D/2D/2D GaN/WS2/MoS2异质结，研究了界面效应对异质结的稳定性、载流子输运特性和自供电能力的影响，进一步研究了双轴应变对异质结的电子结构和光电特性的调控；第8章对新型二维材料构建的异质结在高性能和自供电光电探测器及未来智能可穿戴设备中的应用做出总结和展望。 
本书可供新型二维材料光电领域及从事自供电器件研究的科技工作者参考，也可作为高等院校相关专业本科生和研究生的参考用书。本书部分彩图可扫描二维码查看。 
本书的撰写得到贵州财经大学蔡绍洪教授和邓明森教授的悉心指导，相关理论研究得到了中国科技大学郑奇靖副教授、褚维斌博士和安顺学院李瑞琴副教授，以及作者课题组师兄弟的帮助，在此一并表示感谢。 
本书的出版得到了贵州省财政厅、贵州省教育厅2024年支持高等教育改革发展省级补助资金资助，以及安顺学院第三轮学科建设项目、安顺学院博士基金项目（asxybsjj202316）的经费资助。本书撰写过程中参考的相关资料，已在
每章最后列出，在此对相关学者表示衷心的感谢。限于著者水平，书中难免存在不足和错误，希望广大读者批评指正。

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