SiC和WXO（X = S, Se）单层的范德瓦尔斯异质结构，用于高性能光电子、光催化和能量收集应用

《Materials Today Chemistry》：Van der Waals heterostructures of SiC and WXO (X = S, Se) monolayers for high-performance optoelectronic, photocatalytic, and energy harvesting applications

二维异质结材料的研究：以SiC/WXO（X=S, Se）为例，系统研究六种堆叠构型的结构优化与稳定性，发现其具有负结合能和高热稳定性，能带结构显示2.12-2.13 eV带隙和II型带对齐，增强光生载流子分离效率，可见光至近红外波段光吸收显著，带边位置匹配水红ox电位，为可见光驱动水分解提供新途径。

　　

刘强|赵瑞琦|阿斯玛·M·阿莱纳德|法亚兹·M|伊德里斯·M

洛阳师范学院物理与电子信息学院，中国洛阳，471934

摘要

二维（2D）材料的范德华异质结构（vdWHs）展现出多样的物理性质，在纳米电子学、光电子学、光催化和可再生能源应用方面具有巨大潜力。在本研究中，我们系统地研究了SiC/WXO（X = S, Se） vdWHs，考虑了六种不同的堆叠配置。优化后的结构表现出负的结合能，证实了其界面稳定性，这一点通过高温下的第一性原理分子动力学（AIMD）模拟得到了进一步验证。计算得到的能带结构显示SiC/WSO和SiC/WSeO vdWHs具有半导体特性，带隙分别为2.133和2.120电子伏特，并且具有II型能带对齐，能够有效分离光生载流子。界面电荷转移通过功函数差异和平面平均静电势进行了量化，表明在界面处形成了一个内置电场。从介电函数的实部和虚部得出的光学性质显示，在可见光和近红外区域有强烈的吸收，这凸显了它们在先进太阳能转换和光检测方面的潜力。最后，通过将能带边缘位置与水的pH依赖性氧化还原电位对齐来评估其光催化能力。结果表明，这些vdWHs是用于可见光驱动水分解的有前景的候选材料，为可持续氢生产提供了一条可行的途径。

章节摘录

引言

对化石能源资源的无节制开发引发了日益严重的全球能源危机，并伴随着广泛的环境污染，因此引发了科学和技术的密集研究[1]。为了应对这些相互关联的挑战，提出了一系列创新的方法和战略范式，其中太阳能驱动的过程尤为突出[2,3]。在这一背景下，利用太阳能...

计算细节

我们使用维也纳第一性原理模拟包（VASP）[42]中实现的投影增强波（PAW）方法[41]，对SiC和WXO（X = S, Se）单层及其范德华异质结构（vdWHs）进行了第一性原理计算[41]。结构优化采用了Perdew–Burke–Ernzerhof形式的广义梯度近似（GGA-PBE），平面波截止能量为500电子伏特[43]。长程色散相互作用通过Grimme的DFT-D3方法考虑在内。

结果与讨论

在研究SiC/WXO（X = S, Se） vdWHs之前，我们系统地考察了SiC、WSO和WSeO单层的几何、结构和电子性质。我们从计算中获得的优化晶格参数和关键电子性质总结在表1中，而使用HSE06计算的相应能带结构显示在图1中。对于SiC单层，计算得到的电子能带结构表明...

结论

总之，我们利用第一性原理方法研究了一系列SiC和WXO单层及其vdWHs，系统地分析了它们的结构、电子、光电子和光催化性质。通过结合能评估和高温下的AIMD模拟，严格验证了所提出的vdWHs的热力学和动力学稳定性，证实了它们结构的坚固性。重要的是，SiC/WXO vdWHs表现出良好的...

CRediT作者贡献声明

刘强：撰写——初稿，可视化，验证，方法论，研究，形式分析。赵瑞琦：验证，监督，软件，项目管理，研究，概念化。阿斯玛·M·阿莱纳德：可视化，资源，项目管理，研究，数据管理。法亚兹·M：撰写——审阅与编辑，撰写——初稿，验证，研究，形式分析，数据管理，概念化。伊德里斯·M：撰写——审阅与编辑，

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的可能会影响本文所述工作的竞争性财务利益或个人关系。