少层五方半导体 PdS$_2$ 与 PdSe$_2$ 中的大块光伏效应与二次谐波生成

近来，具有罕见五方 Se-Pd-Se 单层的原子级薄 PdSe$_2$ 半导体被合成，并且被发现具有如超高空气稳定性和高载流子迁移率等优越性质，从而提供了一类新的二维（2D）材料，用于探索二维半导体物理以及应用于先进光电子与非线性光子器件。本工作中，我们借助第一性原理密度泛函理论结合广义梯度近似加剪刀修正，系统研究了非中心对称双层（BL）与四层（FL）PdS$_2$ 和 PdSe$_2$ 的非线性光学（NLO）响应[即体光伏效应（BPVE）、二次谐波生成（SHG）与线性电光（LEO）效应]。首先，位移电流电导率在 130 $\mu$A/V$^2$ 量级，与已知 BPVE 材料相比非常高。类似地，其注入电流极化率在 100$\times$10$^8$A/V$^2$s 量级，同样很大。其次，这些材料的 SHG 系数（$\chi^{(2)}$）也很大，比最著名的少层 6B 族过渡金属硫族化合物的高一个数量级。例如，BL PdSe$_2$ 在 1.9 eV 处 $\chi^{(2)}$ 的最大幅值可达 1.4$\times$10$^3$ pm/V，BL PdS$_2$ 在 3.1 eV 处可达 1.2$\times$10$^3$ pm/V。第三，我们发现这些结构在低光子能量下具有显著的 LEO 系数。所有这些都表明二维 PdX$_2$ 半导体将有广阔的非线性光学应用前景。第四，我们发现少层 PdX$_2$ 结构的大 BPVE 与 SHG 源于强层内定向共价键以及二维量子限域。