基于第一性原理的MoS?/XN（X=Al, Ga）范德华异质结构研究：一种有前景的水分解光催化剂

《Computational and Theoretical Chemistry》：First-principles study on MoS 2/XN(X?=?Al, Ga) van der Waals heterostructures: a promising water-splitting photocatalyst

本文基于密度泛函理论（DFT）研究AlN/MoS?和GaN/MoS?二维范德华异质结的几何与电子特性。结果显示异质结为直接带隙半导体，带隙分别为1.717 eV和1.191 eV，压缩应变使带隙先增大后减小，拉伸应变使其单调减小。吸收光谱分析表明异质结在可见光区域吸收增强且谱带展宽，范德华界面极化度提高显著增强电荷束缚与存储能力。这些发现预示该异质结在光电子学领域具有广泛应用前景。

　　

青安|王俊华|何颖|李伟|袁俊普

武汉工业大学人工智能学院，中国湖北省武汉市430223

摘要

本研究采用基于密度泛函理论（DFT）的第一性原理计算方法，研究了XN/MoS?（X = Al, Ga）范德华（vdW）异质结构的几何和电子特性。结果表明，这些异质结构属于直接带隙半导体，具有II型能带排列，AlN/MoS?的带隙宽度为1.717 eV，GaN/MoS?的带隙宽度为1.191 eV。在压缩应变下，带隙宽度先增大后减小；而在拉伸应变下，带隙宽度则单调减小。对吸收光谱的分析显示，这两种异质结构在可见光区域具有增强的吸收能力，并且吸收范围变宽。范德华异质结的形成显著提高了极化程度，从而改善了电荷的束缚和存储性能。这些发现表明，XN/MoS?（X = Al, Ga）范德华异质结构在光电子领域具有广泛的应用前景。

引言

二维二硫化钼（MoS?）属于过渡金属硫属化合物（TMDs）家族。研究表明，单层MoS?是一种直接带隙半导体，具有优异的光电性能，因此在光催化[1]、[2]、[3]、[4]、传感器[5]、[6]、[7]以及光伏器件[8]、[9]、[10]、[11]等领域有广泛应用。然而，其相对较大的带隙导致其在可见光谱范围内的吸收效率较低，严重限制了其在光电子器件中的实际应用[12]、[13]。为了解决这一限制，构建MoS?的范德华异质结不仅可以弥补原始MoS?的固有缺陷，还可以赋予其新的特性，从而扩大其应用范围[14]、[15]、[16]、[17]、[18]、[19]、[20]、[21]、[22]。氮化铝（AlN）作为一种宽带隙半导体材料，其体带隙约为6.2 eV，需要深紫外光子能量才能实现电子跃迁，这限制了其光电应用。氮化镓（GaN）作为第三代宽带隙半导体的代表，其带隙比硅（1.12 eV）更宽[23]、[24]、[25]、[26]、[27]、[28]，并且易于与其他物质形成异质结，这使其更适合高温和高频应用环境，吸引了众多学者的关注。Hafsa Aziz等人[29]研究表明，Zr?CO?/MoS?范德华异质结可以可靠合成，这得益于其小于3%的晶格失配、-4.23 meV/?的负粘附能以及固有的动态稳定性。Liu等人[30]研究发现，热力学稳定的AlN/Sc?CF?和GaN/Sc?CF?异质结属于间接带隙半导体，其带隙分别减小至1.75 eV和1.84 eV。与单层AlN、GaN和Sc?CF?相比，这些异质结在吸收范围和强度上都有显著提升。

在本研究中，系统地探讨了XN/MoS?（X = Al, Ga）范德华异质结构的电学和光学性质，并将其特性与其原始单层结构进行了比较，以探索其在光电子领域的潜力。同时，还系统分析了双轴应变对异质结构电学和光学性质的影响。

计算方法

所有第一性原理计算均基于密度泛函理论（DFT）进行，计算采用Vienna Ab initio计算模拟软件包[31]（CASTEP）实现。电子-离子相互作用通过投影拼接和平面波方法[32]、[33]生成的广义梯度近似（GGA）赝势来处理，平面波截断能量设置为500 eV。采用12 × 12 × 1的Monkhorst-Pack k点网格进行计算。

结果与讨论

图1展示了单层MoS?、XN（X = Al, Ga）以及XN/MoS?范德华异质结构的完全优化晶格结构。单层AlN和GaN的优化晶格常数分别为a = b = 3.312 ?和3.189 ?。Al/Ga和N原子以非共面的弯曲结构排列。单层MoS?的晶格常数为a = b = 3.166 ?，其中Mo原子与六个S原子以三角棱柱形几何结构配位。XN单层结构

结论

总结来说，本研究利用第一性原理计算系统地研究了二维XN/MoS?（X = Al, Ga）范德华异质结构的电子结构和光催化性能。结果表明，这些异质结构属于直接带隙半导体，具有II型能带排列，且其带隙宽度比组成单层结构更小。双轴应变能够有效调节带隙，特定的压缩应变会最大化带隙宽度。

作者贡献声明

青安：撰写——原始草稿，可视化，验证。王俊华：数据整理，概念构思。何颖：研究，资金获取，形式分析。李伟：项目管理，方法论，研究。袁俊普：监督，软件，资源支持。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的可能会影响本文研究工作的财务利益或个人关系。

致谢

我们还要感谢安徽科技大学材料科学与工程学院在MS模拟方面提供的帮助。