磷烯基二维范德瓦尔斯异质结的理论表征（英文）

本文基于单层黑磷和蓝磷,理论设计出二维范德瓦尔斯异质结、能带结构、态密度、Bader电荷布局、电荷密度差分图及光吸收谱等,计算结果表明它是典型的第二型异质结,有利于光生载流子分离,且可见光捕获能力显著增强.内禀的界面极化电场能有效阻止光生电子-空穴的复合.表明磷烯基二维范德瓦尔斯异质结是一类性能优异的光解水催化剂.     

二维范德瓦尔斯异质结构的制备与物性研究

二维范德瓦尔斯材料(可简称二维材料)已发展成为备受瞩目的材料大家族,而由其衍生的二维范德瓦尔斯异质结构的集成、性能及应用是现今凝聚态物理和材料科学领域的研究热点之一.二维范德瓦尔斯异质结构为探索丰富多彩的物理效应和新奇的物理现象,以及构建新型的自旋电子学器件提供了灵活而广阔的平台.本文从二维材料的转移技术着手,介绍二维范德瓦尔斯异质结构的构筑、性能及应用.首先,依据湿法转移和干法转移的分类,详细介绍二维范德瓦尔斯异质结构的制备技术,内容包括转移技术的通用设备、常用转移方法的具体操作步骤、三维操纵二维材料的方法、异质界面清洁.随后介绍二维范德瓦尔斯异质结构的性能和应用,重点介绍二维磁性范德瓦尔斯异质结构,并列举在二维范德瓦尔斯磁隧道结和摩尔超晶格领域的应用.因此,二维材料转移技术的发展和优化将进一步助力二维范德瓦尔斯异质结构在基础科学研究和实际应用上取得突破性的成果.     

二维范德瓦尔斯异质结构的制备与物性研究

二维范德瓦尔斯材料(可简称二维材料)已发展成为备受瞩目的材料大家族,而由其衍生的二维范德瓦尔斯异质结构的集成、性能及应用是现今凝聚态物理和材料科学领域的研究热点之一.二维范德瓦尔斯异质结构为探索丰富多彩的物理效应和新奇的物理现象,以及构建新型的自旋电子学器件提供了灵活而广阔的平台.本文从二维材料的转移技术着手,介绍二维范德瓦尔斯异质结构的构筑、性能及应用.首先,依据湿法转移和干法转移的分类,详细介绍二维范德瓦尔斯异质结构的制备技术,内容包括转移技术的通用设备、常用转移方法的具体操作步骤、三维操纵二维材料的方法、异质界面清洁.随后介绍二维范德瓦尔斯异质结构的性能和应用,重点介绍二维磁性范德瓦尔斯异质结构,并列举在二维范德瓦尔斯磁隧道结和摩尔超晶格领域的应用.因此,二维材料转移技术的发展和优化将进一步助力二维范德瓦尔斯异质结构在基础科学研究和实际应用上取得突破性的成果.     

二维材料及其异质结的声子物理研究

声子是固体最重要的元激发之一,是理解材料摩尔热容、德拜温度以及热膨胀系数等热力学性质的基础,同时电声子相互作用也决定了固体的电导和超导等特性。拉曼光谱是表征固体声子物理的重要实验手段,不仅能表征材料的结构和质量,还能提供材料声子性质、电子能带结构、电声耦合等信息。文章将拉曼光谱应用于二维材料及其范德瓦尔斯异质结的声子物理研究。先简单介绍二维材料的层间振动声子模式和层内振动声子模式,其中层间振动声子模式的频率可用线性链模型来计算,而强度则可用层间键极化率模型来解释;同类层内振动声子模式的Davydov劈裂峰之间的频率差异可用范德瓦尔斯模型拟合。随后,将这些模型推广到二维范德瓦尔斯异质结中,以转角多层石墨烯、MoS_2/石墨烯和hBN/WS_2为例介绍了范德瓦尔斯异质结的声子谱,阐述如何应用线性链模型和经典键极化率模型计算层间振动模的频率和强度,并由此给出二维范德瓦尔斯异质结的界面耦合强度和各层间呼吸模的电声耦合强度等重要参数。     

MoS2/MoTe2垂直异质结的电荷传输及其调制

二维材料异质结器件具有纳米级厚度及范德瓦耳斯接触表面,因而表现出独特的光电特性.本文构建了栅压可调的MoS₂/MoTe₂垂直异质结器件,利用开尔文探针力显微镜(KPFM)技术结合电输运测量,揭示了MoS₂/MoTe₂异质结分别在黑暗和532 nm激光照射条件下的电荷输运行为,发现随着栅压的变化异质结表现出从n-n⁺结到p-n结的反双极性特征.系统地解释了MoS₂/MoTe₂异质结的电荷输运机制,包括n-n⁺结和p-n结在正偏和反偏下条件下的电荷输运过程、随栅压变化而发生的转变的结区行为、接触势垒对电荷输运的影响、n-n⁺结和p-n结具有不同整流特征的原因、偏压对带间隧穿的重要作用及光生载流子对电学输运行为的影响等.本文所使用的方法可推广到其他二维异质结体系,为提高二维半导体器件性能及其应用提供了重要的参考和借鉴.     

电场对PtO2/MoS2范德瓦尔斯异质结电子结构调控

本文利用基于密度泛函理论的第一性原理计算方法研究了外电场对PtO2/MoS2范德瓦尔斯异质结电子结构的调控,发现当层间距d=2.83Å时异质结结构最稳定,且表现为Ⅱ型间接带隙半导体,其带隙为0.68 eV。通过施加垂直平面方向电场可有效调控PtO2/MoS2异质结电子结构,当外电场为-1 V/Å时,发生半导体-金属相变。这些研究结果表明PtO2/MoS2异质结在新型二维材料光电纳米器件方面具有广泛应用前景。     

二硫化钨/石墨烯异质结的界面相互作用及其肖特基调控的理论研究

采用第一性原理方法研究了二硫化钨/石墨烯异质结的界面结合作用以及电子性质,结果表明在二硫化钨/石墨烯异质结中,其界面相互作用是微弱的范德瓦耳斯力.能带计算结果显示异质结中二硫化钨和石墨烯各自的电子性质得到了保留,同时,由于石墨烯的结合作用,二硫化钨呈现出n型半导体.通过改变界面的层间距可以调控二硫化钼/石墨烯异质结的肖特基势垒类型,层间距增大,肖特基将从p型转变为n型接触.三维电荷密度差分图表明,负电荷聚集在二硫化钨附近,正电荷聚集在石墨烯附近,从而在界面处形成内建电场.肖特基势垒变化与界面电荷流动密切相关,平面平均电荷密度差分图显示,随着层间距逐渐增大,界面电荷转移越来越弱,且空间电荷聚集区位置向石墨烯层方向靠近,导致费米能级向上平移,证实了肖特基势垒随着层间距的增加由p型接触向n型转变.本文的研究结果将为二维范德瓦耳斯场效应管的设计与制作提供指导.     

电场对PtO2/MoS2范德瓦尔斯异质结电子结构调控

本文利用基于密度泛函理论的第一性原理计算方法研究了外电场对PtO2/MoS2范德瓦尔斯异质结电子结构的调控,发现当层间距d=2.83 ?时异质结结构最稳定,且表现为Ⅱ型间接带隙半导体,其带隙为0.68 eV.通过施加垂直平面方向电场可有效调控PtO2/MoS2异质结电子结构,当外电场为-1V/?时,发生半导体-金属相变...     

钙钛矿CsPbX3(X=Cl,Br,I)与五环石墨烯范德瓦耳斯异质结的界面相互作用和光电性能的第一性原理研究

异质结工程是一种提高半导体材料光电性能的有效方法.本文构建了全无机钙钛矿CsPbX₃(X=Cl,Br,I)和二维五环石墨烯penta-graphene(PG)的新型范德瓦耳斯(vdW)异质结,利用第一性原理研究了CsPbX₃-PG异质结不同界面接触的稳定性,进而计算了稳定性较好的Pb-X接触界面异质结的电子结构和光电性能.研究结果表明,CsPbX₃-PG(X=Cl,Br,I)异质结具有II型能带排列特征,能级差距由Cl向I逐渐缩小,具有良好的光生载流子分离能力和电荷输运性质.此外,研究发现CsPbX₃-PG异质结能有效拓宽材料的光吸收谱范围,并能显著提高其光吸收能力,尤其是CsPbI₃具有最优的光吸收性能.经理论估算,CsPbX₃-PG的光电功率转换效率(PCE)可高达21%.这些结果表明,全无机金属卤化物钙钛矿CsPbX₃-PG异质结可以有效地提高半导体材料的光电性能,预期在光电转换器件中具有重要的应用潜力.     

二维材料的新奇物理及异质结的能带调控

以石墨烯为代表的层状材料具备显著区别于三维材料的新奇物理特性。更为重要的是,原子级平整的二维材料使得科学家们可以将不同的二维材料通过堆垛或者把相同的二维材料通过堆垛加扭转构成范德瓦耳斯异质结。通过层间耦合作用,可对异质结的能带结构和物理性质进行有效调控,从而衍生出单个二维材料所不具备的新奇物性。范德瓦耳斯异质结的能带调控极大地拓宽了二维材料的科学研究和应用前景。     

Tuning band alignment and optical properties of 2D van der Waals heterostructure via ferroelectric polarization switching

Favourable band alignment and excellent visible light response are vital for photochemical water splitting. In this work, we have theoretically investigated how ferroelectric polarization and its reversibility in direction can be utilized to modulate the band alignment and optical absorption properties. For this objective, 2D van der Waals heterostructures (HTSs) are constructed by interfacing monolayer MoS₂ with ferroelectric In2Se3. We find the switch of polarization direction has dramatically changed the band alignment, thus facilitating different type of reactions. In In₂Se₃/MoS₂/In₂Se₃ heterostructures, one polarization direction supports hydrogen evolution reaction and another polarization direction can favour oxygen evolution reaction. These can be used to create tuneable photocatalyst materials where water reduction reactions can be selectively controlled by polarization switching. The modulation of band alignment is attributed to the shift of reaction potential caused by spontaneous polarization. Additionally, the formed type-II van der Waals HTSs also significantly improve charge separation and enhance the optical absorption in the visible and infrared regions. Our results pave a way in the design of van der Waals HTSs for water splitting using ferroelectric materials.     

Z型InN/SnS2范德华异质结增强光催化水分解

寻找高效的光催化剂分解水制氢是解决能源危机和环境问题的有效途径之一.基于第一性原理,对InN/SnS₂异质结的几何结构、电子结构和光催化水分解性能进行研究.结果表明InN/SnS₂异质结是具有的Ⅱ型能带排列半导体材料可以有效地分离电子空穴对.在光激发下,较小的带隙以及合适的内建电场使得光生载流子迁移路径成“Z”字型,这保留了InN/SnS₂异质结强氧化还原能力.光生电子在InN的导带底累积并发生析氢反应,而积累在SnS₂上的光生空穴使析氧反应自发发生.它们的带边位置都跨越了水的氧化还原电位,证明能够实现水的完全分解.因此,InN/SnS₂异质结有希望成为高效光解水催化剂.     

卟啉基非金属纳米片用于可见光光催化制氢

本文基于密度泛函理论预测了一种用于可见光范围光催化制氢的新型二维非金属纳米材料,该材料可以由HTAP分子脱氢聚合得到,具有良好的结构稳定性,且带隙为2.12 eV,可以实现可见光区域的光捕获. 材料的带边能级位置恰好包裹水的氧化还原电位,有利于实现全光解水. 电子的迁移率略高于空穴的迁移率,有利于光生载流子的分离. 光生电子可以提供足够的驱动力使得析氢反应自发进行.     

二维GaTe/Bi2Se3异质结：一类有潜力的Z型光解水催化剂

本文基于第一性原理方法,计算了二维GaTe/Bi₂Se₃异质结的电子结构、界面电荷转移、静电势分布、吸收光谱及光催化性质. 计算结果表明异质结是一个小能隙的准直接半导体,能有效捕获太阳光. 由于相对较强的界面內建极化电场和带边轻微弯曲,导致异质结中的光生电子和空穴分别有效分离在GaTe单层和Bi₂Se₃薄片上,可用于析氢和产氧. 这些理论计算结果意味着二维GaTe/Bi₂Se₃异质结是一类有潜力的Z型太阳能全解水催化剂.     

Computational screening of vdWs heterostructures of BSe with MoSe2 and WSe2 as sustainable hydrogen production materials

Recently, fabricating type-II vertical van der Waals (vdWs) heterostructure is a promising material for hydrogen production. The absorption capability, charge density distributions, band alignments and electronic properties of the monolayers and heterostructures are systematically investigated using computational studies. Using ab initio molecular dynamics, binding energy and phonon calculations, the stability of the heterostructures are verified. Both heterostructures are type-II materials, which can increase the separation of charge carriers. Moreover, the charge density difference and the potential drop across the interface of MSe₂/BSe creates a high built-in electric field that can prevent the recombination of charge carriers. We found that the visible-light optical properties of both heterostructures are much enhanced with suitable bandgap energy for water splitting. The band alignment suggests that the heterostructures straddle water redox potentials in acid solutions (0 < pH < 7). Our study predicted that MSe₂/BSe vdW heterostructures have great potential for photocatalytic hydrogen production.     

Cu-X(X=B, Al, Ga, In)共掺杂对ZnS可见光吸收的影响

ZnS能够用于光解水制氢,但是由于ZnS带隙较宽在一定程度上制约了可见光的吸收。为了减小闪锌矿ZnS的带隙宽度,增加对可见光的吸收,采用密度泛函理论研究了Cu-X(X=B, Al, Ga, In)共掺杂对ZnS电子结构和可见光吸收的影响。计算结果表明Cu-X(X=B, Al, Ga, In)共掺杂ZnS的结合能都是负值,都属于稳定结构;掺杂使得闪锌矿ZnS的带隙宽度由2.9eV分别减小到2.68eV、2.41 eV、2.18 eV、1.82 eV,导致了吸收谱和光导产生红移,有利于可见光的吸收;掺杂后导带底向低能级方向移动,同时在禁带中产生p-d杂化能级,导致了带隙宽度减小,有利于可见光的吸收和阻止光生载流子的复合;最后掺杂ZnS的带边位置满足水解制氢的条件,可用于制造光催化剂。综上所述Cu-X(X=B, Al, Ga, In)共掺杂ZnS有利于可见光的吸收。     

第一性原理计算N掺杂对InNbO_4电子结构的影响

宽带隙(3.83 e V)半导体光催化材料InNbO_4在紫外光作用下具有分解水和降解有机物的性能.最近实验发现了N掺杂InNbO_4具有可见光下分解水制氢的活性.为了从理论上解释这一实验现象,本文采用基于密度泛函理论的第一性原理计算了N掺杂对InNbO_4的能带结构、态密度和光学性质的影响.分析能带结构可得,N掺杂后在InNbO_4的价带(O 2p)上方形成N 2p局域能级,导致电子跃迁所需的能量减小.吸收光谱表明,N掺杂后InNbO_4的光吸收边出现了红移,实现了可见光吸收.     

Tailoring the photocatalytic activity of WO3 by Nb-F codoping from first-principles calculations

In this letter, the electronic structure properties of Nb, F monodoping and Nb-F codoping are explored by first-principles calculations. Our results show that Nb-F codoping can reduce the band gap notably. The band edge analysis indicates that both conduction band maximum (CBM) and valence band minimum (VBM) move to higher energies, which is desirable for water splitting. The formation energy and pair binding energy calculation shows that this anion-cation codoping is easy to realize in both O-rich and O-poor conditions. The calculated optical absorption spectra indicate that the visible light absorption can be significantly improved by Nb-F codoping in WO₃. Therefore, Nb-F co-doped WO₃ is predicted to be a promising visible light photocatalyst for water splitting.     

第一性原理计算N掺杂对InNbO4电子结构的影响

宽带隙（3.83 eV）半导体光催化材料InNbO4在紫外光作用下具有分解水和降解有机物的性能。最近实验发现了N掺杂InNbO4具有可见光下分解水制氢的活性。为了从理论上解释这一实验现象，本文采用基于密度泛函理论的第一性原理计算了N掺杂对InNbO4的能带结构、态密度和光学性质的影响。分析能带结构可得，N掺杂后在InNbO4的价带（O 2p）上方形成N 2p局域能级，导致电子跃迁所需的能量减小。吸收光谱表明，N掺杂后InNbO4的光吸收边出现了红移，实现了可见光吸收。     

Visible light absorption of (Fe,C/N) co-doped NaTaO_3: DFT+U

The effects of Fe–C/N co-doping on the electronic and optical properties of NaTaO_3 are studied with density functional theory. Our calculations indicate that mono-doped and co-doped sodium tantalate are both thermodynamically stable.The co-doping sodium tantalate can reduce the energy band gap to a greater degree due to the synergistic effects of Fe and C(N) atoms than mono-doping sodium tantalate, and has a larger optical absorption of the whole visible spectrum. The band alignments for the doped NaTaO_3 are well positioned for the feasibility of hydrogen production by water splitting. The Fe–C co-doping can enhance the absorption of the visible light and its photocatalytic activity more than Fe–N co-doping due to the different locations of impurity energy levels originating from their p–d hybridization effect.