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二维材料种类繁多,性质各异,包括了从绝缘体到半导体到金属所有的电子结构,展现出了许多有趣的性质如拓扑绝缘体效应、自发磁化和各向异性的传输性质等。特别是二维材料的一些特有属性,使其非常适合应用于能源转换领域。首先,二维材料的电子结构随着其厚度的减小而变化,使得对二维材料能带结构调节简便可控;其次,由于二维结构中其自身就占据了整个表面,拥有很大的比表面积,在能源转换中非常有利;再次,二维材料的表面和衬底之间的界面以及吸附在界面上的原子和界面上的缺陷也会极大的改变材料的固有属性,从而提供更多调节能带结构的方法。二维材料表现出的性质如高电子迁移率、高比表面积、可变能带结构等,都使得二维材料在能源转换领域前景广阔。基于以上原因,本文系统研究了几种应用于能源转换的二维材料体系,主要内容如下:(1)采用第一性原理计算探讨了单层金属卤氮化物MNX(M=Ti,Zr,Hf;X=C1,Br,I)作为光解水材料的可能性,并通过能带调节改善其光解水性能。计算结果表明单层MNX的两种异构体形成能很低,具有很高的稳定性。能带结果显示所有单层MNX都是半导体型电子结构,但两种异构体之间有完全不同的能带结构。带边位置的计算确认了单层MNX中有十种结构可用于光催化分解水,其中单层α-ZrNX(X = Cl,Br,I)和α-HfNI还是直接带隙的半导体,禁带宽度在2.23-2.83eV之间,是非常理想的可见光驱动催化剂。而且,光吸收谱也证实了这几种材料在可见光区有很高的吸收效率。最后,通过掺杂调节单层MNX的能带,也能有效提高其可见光吸收效率。可见,单层MNX多样的电子结构和高可见光吸收效率都预示着其极有希望成为性能良好的可见光驱动光催化材料。(2)采用第一性原理计算研究了二维金属硫属代亚磷酸盐(APX3,其中A=MⅡ,Mo0.5ⅠM0.5Ⅲ;X = S,Se;MⅠ,MⅡ 和 MⅢ 分别指 Ⅰ 族,Ⅱ 族和 Ⅲ 族金属)的稳定性、电子结构以及光解水性能。第一性原理计算表明单层APX3具有极低的形成能,其合成容易实现。单层APX3家族展示出了一个大范围的禁带宽度(1.77-3.94eV),且其能带结构和禁带宽度极大地取决于其组分中的金属原子和硫族原子。进一步的能带带边位置的计算结果指出,单层ZnPSe3,CdPSe3,Ag0.5Sco.5PSe3和Ago.5Ino.5PX3(X=S,Se)不仅具有适合可见光吸收的禁带宽度,还有足够的过电势驱动水解反应。其中最突出的是拥有的直接带隙电子结构的Ag0.5In0.5PSe3,计算的光吸收谱说明其在可见光吸收方面比间接带隙半导体更具优势。总之,单层APX3具有高稳定性、可调的电子结构以及高可见光吸收效率,有望成为高效的光催化剂。(3)提出了一种新型的四方结构二维材料ScN和YN纳米片,并采用第一性原理计算研究了该类二维材料的稳定性及电子结构。声子谱和分子动力学计算结果验证了这种新颖的四方二维结构的热动力学稳定性。能带结构也揭示了 ScN和YN纳米片具有特别的电子结构,块体ScN和YN均是间接带隙半导体,而所有二维ScN和YN纳米片的电子结构均由其块体的间接带隙转变为直接带隙。二维ScN和YN纳米片的禁带宽度在0.6-2.2eV之间,计算的光吸收谱表明这些二维材料具有很高的可见光吸收效率。直接带隙结构和可见光吸收范围内的禁带宽度都使得二维ScN和YN纳米片可应用于光电转换器件。(4)采用密度泛函理论计算对块体BiCuSeO(BCSO)和二维BiCuSeO纳米片的热电性质作了一个系统的研究。得益于其天然的超晶格结构,块体BiCuSeO热导率很低,但同时电导率也很低。能带结构的计算表明表明块体BiCuSeO电子需要从Cu2Se2层转移到Bi2O2层才能形成Bi2O2电子导电层和Cu2Se2空穴导电层,从而获得导电能力。热电性质计算表明通过掺杂的方式可以提高块体BiCuSeO电导率进而提高其ZT值。能带结构和态密度的计算表明二维2L-BCSO和4L-BCSO表现出金属属性,而3L-BCB和3L-CBC可分别看作是n型掺杂的半导体和p型掺杂的半导体。显然,二维BiCuSeO纳米片由其自身结构的特点就引入了大量的载流子而无需通过掺杂来提高了其导电性。通过对多层BiCuSeO的计算,发现对其层数和最外层进行调节,可以得到多样的导电类型甚至是PN结。