《Journal of Alloys and Compounds》：Photoelectric and Photocatalytic Regulation Mechanism of Two-Dimensional WSi2N4/AlN Heterojunction
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本研究构建了WSi?N?/AlN异质结，通过外电场调控其带隙结构和光吸收性能，优化了载流子分离效率，在131.80 nm处光吸收峰达1.058×10? cm?1，效率达13.04%，为高效光电催化材料开发提供理论指导。
李马|王泽轩|王佳敏|张泽浩|崔杰|谢金波|赵娜娜
西安理工大学材料科学与工程学院，中国西安710048
摘要
为了克服单一二维材料在光催化应用中的局限性，如光电性能不足和催化效率低下，本研究构建了一种新型的WSi?N?/AlN异质结，并探讨了外部电场对其性能的调控机制。第一性原理模拟表明，WSi?N?/AlN具有间接带隙半导体结构。基于HSE06泛函计算得到的光电转换效率为13.04%。在131.80纳米波长下，光吸收峰达到1.058×10? cm?1。虽然这一值略低于WSi?N?单层材料（在135.56纳米波长下的吸收峰为1.216×10? cm?1），但明显优于AlN单层材料（在94.96纳米波长下的吸收峰为7.43×10? cm?1），并且实现了光生载流子的有效空间分离。该异质结内部存在的电场从AlN指向WSi?N?，有效促进了光生载流子的空间分离，从而满足了中性和碱性条件下的光催化水分解需求。通过施加-0.8至0.8 V/?的垂直电场，可以有效地调节其带隙、能带结构和光吸收特性。在0.2 V/?的电场作用下，光吸收性能达到最佳值1.075×10? cm?1；而在0.6 V/?的电场作用下，吸收峰出现显著的红移。这些发现表明，WSi?N?/AlN具有优异的光电和光催化性能，为开发高效光催化材料及其在能源领域的应用提供了巨大潜力。
引言
对化石燃料的过度依赖导致了资源枯竭和环境退化两大挑战，因此迫切需要开发高效、清洁的可再生能源。光催化水分解技术利用太阳能生成清洁的氢燃料，是一种很有前景的解决方案[1]。这项技术的核心在于开发具有宽光谱响应、高效电荷分离和合适能带结构的催化材料。近年来，学术研究逐渐关注新型光催化剂，如缺陷半导体、二维（2D）材料及其异质结[2][3][4][5]。缺陷半导体由于含有大量高活性位点而表现出优异的催化活性，但其载流子迁移率相对较低，限制了催化效率的进一步提升。二维材料具有原子级厚度和精确可调的电子结构，在光催化制氢方面取得了显著突破。然而，它们的光吸收能力较弱或催化效率较低，限制了其在发光器件等应用中的使用[6][7]。异质结材料则结合了高弹性模量、高载流子迁移率和优异的光学性能，在光催化领域具有广泛应用潜力[8][9]。因此，构建异质结是一种有效提升材料光催化性能的策略。通过精确控制载流子分离效率、拓宽光吸收范围和优化氧化还原电位，这种方法为制造高效光伏和紫外光电探测器器件提供了理论指导，并有助于解决能源和环境问题。
近年来，新型二维范德华材料MoSi?N?及其同类物MA?Z?（M为过渡金属；A为Si、Ge；Z为N、P、As）因其优异的稳定性、机械强度和可调的电子结构而成为研究热点[10]。其中，WSi?N?具有独特的电子结构、高比表面积和优异的载流子传输能力，在光催化方面具有潜力。其异质结在光电子器件中具有广泛应用前景[11][12][13][14]。通过垂直堆叠不同的二维材料来构建范德华异质结，可以利用界面能带对齐和内部电场增强光生载流子的分离。例如，AlO/WSi?N?异质结具有II型能带对齐，能够实现定向电子转移并形成电子积累层[15]；石墨烯/WSi?N?异质结通过能带弯曲调节载流子传输并改善肖特基接触特性[16][17]。此外，AlN凭借其优异的化学稳定性、高热导率和出色的机械性能，满足了高功率器件的严格热管理要求，成为第三代宽带隙高功率半导体的理想选择[18][19][20][21]。将AlN与WSi?N?结合形成异质结，可以协同发挥它们的优势，为开发新型高效WSi?N?基异质结光催化材料提供了理论指导，并拓展了AlN和WSi?N?材料在光催化领域的应用前景。
在本研究中，我们采用基于密度泛函理论（DFT）的第一性原理计算方法，研究了AlN、WSi?N?以及WSi?N?/AlN异质结的光电和光催化水分解性能。优化后的AlN和WSi?N?材料被组合成WSi?N?/AlN异质结，计算了其能带结构、电子局域化函数和静电势，以阐明界面电荷转移和内部电场的方向。通过施加-0.8至0.8 eV（以0.1 eV为增量）的外部电场，研究了异质结的光学性能和光催化水分解特性，为实验制备高效、宽光谱响应的WSi?N?基异质结材料提供了理论基础和控制策略。
计算方法
基于密度泛函理论（DFT）的第一性原理计算使用维也纳从头算模拟包（VASP）[22]进行。电子-离子相互作用采用投影增强波（PAW）方法[23]描述，而电子交换-相关效应则采用Perdew–Burke–Ernzerhof（PBE）泛函在广义梯度近似（GGA）框架下处理[24]。为了提高能带计算的准确性，还采用了Heyd–Scuseria–Ernzerhof
结论
本研究通过第一性原理计算构建了WSi?N?/AlN异质结，模拟了其电子和光学性质，并探讨了外加垂直电场对其能带结构和光吸收特性的调控机制。WSi?N?/AlN异质结具有II型能带结构，具有间接带隙，在pH = 7和pH = 14的条件下能够满足光催化水分解的要求
CRediT作者贡献声明
王佳敏：验证、形式分析。
张泽浩：可视化、数据整理。
王泽轩：可视化、形式分析、数据整理。
赵娜娜：撰写、审稿与编辑、监督、资金获取。
崔杰：资源准备、方法学研究。
谢金波：验证、方法学研究。
李马：撰写初稿、方法学研究、概念构思。
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的可能影响本文工作的财务利益或个人关系。
致谢
我们衷心感谢西安理工大学提供的计算设施。本研究得到了国家自然科学基金（项目编号52274395）、咸阳市2024年重大科技成果转化项目（项目编号L2024-ZDKJ-ZDCGZH-0016）、陕西省重点研发计划（项目编号2024CY-GJHX-16、2024CY-JJQ-46、2024PT-ZCK-15）以及西安市科学技术局的支持。
