摘要
能源危机和环境污染已成为人类可持续发展的巨大挑战。为此，亟需寻找高效的可再生能源解决方案，以减少对传统燃料的依赖，进而有效缓解环境压力。近年来，石墨烯的成功分离引发了对新型二维材料的研究热潮，包括过渡金属二硫化物、氮化物(如AlN)、MoSi2N4等。这些材料因其高比表面积、可调节的电子性质和独特光学特性备受关注，是构建范德华异质结的关键基础材料。尤其是MoSi2N4和WSi2N4等层状结构材料，已成为MA2Z4家族的一部分，展示出巨大研究潜力，特别在光电器件和催化领域。本文基于第一性原理计算方法，设计了AlN/MoSi2N4和AlN/MoGe2N4(MoSiGeN4)新型的范德华异质结，研究其电子结构和光学性能的调控方法和机理，拓展其在光电器件和光催化领域的潜在应用。这不仅能够提高光电器件的效率，降低能耗，还可以通过光催化技术产氢，为解决能源短缺和环境恶化问题提供新思路。本文的主要内容如下： (1)设计了AlN/MoSi2N4范德华异质结的六种复合模式，通过结合能计算确定最稳定的结构，并对其电子结构和光电性质进行了深入分析。通过能带结构的研究，确定了该异质结为I型异质结，具备成为光电器件材料的潜力。在I型间接带隙异质结中，光激发后产生的电子和空穴在空间上的分离性较弱，这一特性限制了光生载流子的有效分离，更倾向于导致其重新组合而非用于驱动表面反应。为此，本文采用了垂直应变、双轴应变和外部电场调控等策略，成功地改善了AlN/MoSi2N4范德华异质结的光电特性，实现了从I型向Ⅱ型异质结的转变，且带隙值大于1.23eV。因此，AlN/MoSi2N4范德华异质结的电子性质经过调控后能够有效增强，从而提升其在光催化应用中的性能表现。 (2)将二维AlN分别与MoGe2N4和MoSiGeN4相结合，构建了两种不同的范德华异质结。计算结果显示，这些异质结不仅降低了单层AlN的宽带隙，而且在可见光区域的吸收效率也高于原始的单组分材料，最高吸收峰可达3×105cm-1。此外，不同的堆叠方式对这些范德华异质结的能带结构也产生影响，特别是AlN/MoGe2N4异质结具有Ⅱ型能带对齐的特性。为了进一步优化这些异质结的电子特性，本文采用了双轴应变和外部电场调控的方法，以提高它们的催化活性。综合结果表明，通过适当的调控，AlN/MoGe2N4和AlN/MoSiGeN4范德华异质结的光电性能得以优化，不仅拓展了它们在光电器件领域的应用潜力，还为其作为高效光催化剂在光解水领域的应用提供了新的可能性。
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