h-BN/SnS异质结陶瓷材料的电子结构与机械性能的协同设计，应用于陶瓷首饰领域

《Computational and Theoretical Chemistry》：Synergistic design of electronic structure and mechanical properties of h-BN/SnS 2 heterojunction ceramic materials applied to ceramic jewelry

本文基于第一性原理计算系统研究了h-BN/SnS?、h-BN/SnS?/h-BN和SnS?/h-BN/SnS?异质结的结构、电子、机械及光学特性。结果表明，三 sandwich结构h-BN/SnS?/h-BN最稳定，界面结合能高达-5.645 eV，带隙缩小至0.484–0.603 eV，吸收系数达1.9×10? cm?1，且具有优异的力学性能和应变调谐性，为陶瓷设计提供理论支持。

　　

余文秀|朱晓萌

青岛农业大学艺术学院，中国青岛266109

摘要

本文基于第一性原理计算，系统研究了h-BN/SnS₂、h-BN/SnS₂/h-BN以及SnS₂/h-BN/SnS₂异质结的几何结构、电子性质、机械性能和光学特性。结果表明，h-BN/SnS₂/h-BN三层结构最为稳定，界面结合能为?5.645?eV，层间距为3.053??。电子结构分析显示，异质结形成后带隙显著缩小至0.484–0.603?eV（直接带隙）。界面处发生0.21–0.33 |e|的电荷转移，产生内置电场，有效促进光生载流子的分离。在机械性能方面，h-BN/SnS₂/h-BN结构具有最高的屈服应力和最佳的断裂抗性。光学性质表明，h-BN/SnS₂/h-BN的吸收系数可达1.9?×?10⁵?cm^?1，且其带隙和光吸收性能均表现出优异的应变可调性。这些特性为陶瓷设计提供了材料解决方案和理论支持。

引言

制作精细复杂的珠宝需要选择合适的材料，以减少材料浪费并加快制造过程[1]，[2]。此外，材料的选择对最终产品的机械强度、耐用性和美观性至关重要[3]，[4]。由于具有显著延长使用寿命的能力，能够满足严格的操作要求以及适应新的应用和工艺，表现出优异耐磨性的材料在当代工业中引起了广泛关注[5]。与替代材料相比，陶瓷在成本效益、易于维护、减少环境足迹和简化后处理方面具有优势，因此成为精密珠宝制造的高度有前景的选择[6]，[7]。

六方氮化硼（h-BN），通常被称为“白色石墨”，是推进工艺组件陶瓷发展的关键材料[8]，[9]，[10]。由h-BN组成的陶瓷因其卓越的化学惰性、高耐腐蚀性、可靠的热震抗性、易加工性和出色的化学稳定性而受到广泛关注[11]。这些独特特性使得h-BN陶瓷非常适合应用于电子、工业、航空航天和工艺设备等多个领域[12]。然而，纯h-BN陶瓷存在一些局限性，包括烧结性能差和稳定性低，这归因于BN键的自扩散系数低以及烧结过程中层状微结构的形成[13]。此外，h-BN陶瓷本身导电性低，限制了其在电子设备中的应用[14]。另外，在作为工艺相关应用的功能材料时，需要提高h-BN陶瓷的机械性能[15]。

为了克服六方氮化硼（h-BN）陶瓷的性能限制，设计和制造异质结复合材料是一种有前景的方法[16]，[17]，[18]，[19]，[20]。Deng等人[21]合成了两种范德华异质结，包括铁电材料In₂Se₃和宽带隙二维材料GaN。这些In₂Se₃/GaN异质结表现出优异的机械性能和可调的电子特性。Wei等人[22]开发了MoS₂/h-BN/石墨烯异质结材料，并研究了它们的光电存储能力，显示出低功耗、优异的耐用性和稳定的保持性。Vijay等人[23]对通过液相剥离法合成的CeO₂/h-BN异质结纳米复合材料进行了深入分析。通过紫外-可见光照射下的光降解实验评估了它们的光催化性能，结果表明，即使经过140分钟的暴露，CeO₂/h-BN异质结仍保持高达93%的光催化效率。Shu等人[24]构建了BC₂N/石墨烯异质结，并发现它们具有高载流子迁移率。Shu等人[25]的研究表明，GaN/MoSi₂P₄异质结对可见光和近红外光具有较大的吸收系数。此外，Shu等人理论上发现MoSi₂P₄/BAs异质结[26]和石墨烯/h-BN异质结[27]具有优异的光学吸收性能和电子特性。另外，研究表明，通过改变晶格参数和原子相互作用，应变工程是调节二维材料电子和光学特性的关键技术[28]。例如，Shu等人应用应变工程技术调节了2D碳-硼化合物[29]、Si₂C [30]和MoSi₂N₄[31]。

SnS₂属于二维过渡金属硫属化合物家族，具有独特的层状结构[32]，[33]，[34]，[35]。在其单层形式中，SnS₂呈现六方晶格结构，锡原子在硫层之间通过共价键连接，形成S–Sn–S排列[36]，[37]。各层通过非共价的范德华力结合[38]，[39]。此外，SnS₂表现出显著的电化学性质，显示出其在各种工业应用中的潜力[40]。基于上述特性，构建h-BN和SnS₂的异质结在材料设计中具有明显的互补性和协同效应：h-BN可作为稳定的陶瓷基体，提供优异的化学和热稳定性，而SnS₂可作为功能单元，引入光电活性。更重要的是，两者之间的界面耦合有望克服单一材料的局限性（如h-BN的宽带隙和低导电性），并通过应变工程等方法实现性能调节。

研究表明，h-BN/SnS₂异质结具有优异的电子性质和显著的应变可调性，为其功能应用奠定了基础[41]，[42]，[43]。此外，构建对称的三层异质结已被证明具有更高的研究价值[44]。例如，Zhou等人[44]发现TiS₂/WS₂/TiS₂和WS₂/TiS₂/WS₂表现出更强的层间电荷转移。Feng等人[45]研究了SiC/WS₂、SiC/WS₂/SiC和WS₂/SiC/WS₂异质结，并通过施加双轴和垂直应变研究了它们性质的调制。他们发现SiC/WS₂/SiC和WS₂/SiC/WS₂对应变效应非常敏感。因此，系统研究和比较h-BN/SnS₂/h-BN和SnS₂/h-BN/SnS₂异质结对于选择平衡稳定性和优异光电响应特性的最佳配置至关重要。这也是本研究构建和比较这三种模型的核心动机。

在这项工作中，构建了h-BN/SnS₂、h-BN/SnS₂/h-BN和SnS₂/h-BN/SnS₂异质结，并从理论角度探讨了它们作为陶瓷珠宝材料的潜力。进行了第一性原理计算，以明确并获得几个关键性能参数和机制：（1）异质结的几何结构、界面结合能和热力学稳定性，以评估其作为复合材料构建块的可行性；（2）电子结构、电荷转移和内置电场，以揭示其增强光电响应的内在机制；（3）机械性能和应变响应性能，以评估其抗机械损伤的能力。这项工作不仅阐明了h-BN/SnS₂异质结在原子尺度上的结构-性能关系，还为设计和应用下一代高性能、功能化陶瓷珠宝提供了关键的理论基础和性能指标。

计算方法

所有计算分析均采用基于密度泛函理论（DFT）的第一性原理方法进行，该方法在Materials Studio量子化学软件套件的CASTEP模块中实现[46]。电子交换-相关效应采用Perdew-Burke-Ernzerhof（PBE）泛函在广义梯度近似（GGA）框架内进行建模[47]，[48]。为了准确捕捉h-BN和SnS₂之间的范德华（vdW）相互作用

单层材料的原子结构

在构建异质结之前，本研究对单层h-BN和SnS₂进行了结构优化和电子性质分析，以阐明它们的内在电子特性。图1(c-d)展示了h-BN和SnS₂的顶视图和侧视图，两者都呈现类似于石墨烯的六方蜂窝晶格，晶格常数分别为2.503??和3.695??。这些值与文献中的报告相符[52]，[53]

结论

本研究采用系统的第一性原理计算，深入揭示了h-BN/SnS₂、h-BN/SnS₂/h-BN和SnS₂/h-BN/SnS₂异质结作为多功能陶瓷基复合材料的结构-性质关系和性能调控机制。主要结论如下：这些异质结的晶格失配率仅为1.6%，表明实验合成的可行性良好。在三种堆叠配置中，h-BN/SnS₂/h-BN表现出

CRediT作者贡献声明

余文秀：撰写 – 审稿与编辑，撰写 – 原稿，可视化，验证，监督，软件。朱晓萌：数据整理，概念化。

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致谢

本研究未获得公共部门、商业部门或非营利部门的任何特定资助。