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近日，內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)侯清玉教授科研團(tuán)隊在單層AlN摻雜體系光催化性能研究中取得新進(jìn)展，相關(guān)研究成果“點缺陷(Hi-VAl)對單層AlN:Be/Mg/Ca磁性和光催化性能影響的第一原理研究”[First-principles study of the effect of point defects (Hi-VAl) on the magnetic and photocatalytic properties of monolayer AlN: Be/Mg/Ca]，發(fā)表于國際期刊《應(yīng)用表面科學(xué)》(Applied Surface Science)?？蒲袌F(tuán)隊研究發(fā)現(xiàn)，單層Al34HiBeN36更適合用作光催化劑。
文章截圖
2004年，諾沃肖洛夫(Novoselov)和海姆(Geim)首次成功制備出了具有優(yōu)異物理性質(zhì)的單層石墨烯。受石墨烯的啟發(fā)，一些類石墨烯的二維材料，如MoS2、III-N族材料(BN、GaN、AlN)相繼在實驗中被成功合成。III-N族半導(dǎo)體材料均具有特殊的光電性質(zhì)，在各個方面均有出色的應(yīng)用價值，如電子器件和光學(xué)探測器，甚至是作為分解水的光催化劑。其中單層AlN由于原料豐富、易合成、穩(wěn)定性高、易改性等特點，引起了許多研究者的關(guān)注。
在現(xiàn)有的研究報道中，關(guān)于點缺陷對單層AlN摻雜體系磁光性質(zhì)的影響均忽略了Hi的存在。其次，單層AlN本身也存在VAl，單獨的VAl形成能較高，容易和雜質(zhì)H形成缺陷復(fù)合體。分別摻入Be/Mg/Ca元素后，由于d0?鐵磁性的摻雜原子是非磁性的，體系產(chǎn)生磁性是本征的，因而沒有第二磁性相存在。且二維材料與三維塊體材料相比，表面積相對更大、載流子的遷移距離相對更短、遷移率相對大，電子-空穴不易復(fù)合，可以提高空位活性，促進(jìn)光催化過程中載流子分離，因而更具研究價值。
模型?(a) AlN 原胞；(b) 單層 AlN 原胞；(c) 單層 AlN 超胞；(d) 單層 Al35HiN36?和?Al34HiMN36?(M = Be, Mg, Ca)。圖中1、2、3表示M(Be、Mg、Ca)和VAl的相對位置
科研團(tuán)隊通過第一性原理計算方法，系統(tǒng)研究了點缺陷(Hi-VAl)對單層AlN:Be/Mg/Ca體系磁性和光催化性能的影響，從態(tài)密度和能帶的計算表明，所有含雜質(zhì)體系均為直接帶隙半導(dǎo)體。同時發(fā)現(xiàn)，單層Al34HiBeN36體系滿足雜質(zhì)能級與費米能級重合或在其附近有利于陷阱作用，電子與空穴不易復(fù)合，載流子壽命相對最長。
所有體系帶邊位置圖
科研人員計算了所有體系的有效質(zhì)量比值以及電偶極矩，結(jié)果表明，單層Al34HiBeN36的空穴和電子最不易復(fù)合，載流子壽命相對最長、活性最好。通過帶邊位置計算表明，與單層AlN相比，單層Al34HiBeN36(0 0 1)表面的還原性和氧化性最強，帶邊位置變化較大，說明有效改善了單層AlN的氧化性和還原性。這對分解水制氧和制氫均有利。此研究對設(shè)計和制備新型單層AlN摻雜體系光催化劑有一定的理論參考價值，且對半導(dǎo)體物理或材料物理和表面學(xué)科的發(fā)展提供了一定的理論支撐。
論文鏈接：https://doi.org/10.1016/j.apsusc.2022.154506
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