国产三级精品三级在线观看,国产高清无码在线观看,中文字幕日本人妻久久久免费,亚洲精品午夜无码电影网

【純計算】Appl. Surf. Sci.：Janus單分子層SiXY用于光催化水分裂

? 計算 ? 閱讀 20
【純計算】Appl. Surf. Sci.：Janus單分子層SiXY用于光催化水分裂
研究背景
人們在尋找高穩(wěn)定、環(huán)保、廉價的新型二維水分裂半導體光催化劑上付出了大量的努力。Janus SiP2單層的內電場使其具有良好的光裂解催化活性?？紤]到內部電場是由不同潛在的原子在頂層和底層子層，修改頂層和底層的原子形成可以有效地調整內部電場Janus SiP2單層，進一步提高其光催化水分裂的能力。集美大學林家和與廈門大學zhang bofeng等人設計了單層SiPN，用N原子取代兩個P亞層SiPN。本文進行了內聚能和聲子譜計算，表明單層SiPN是高度穩(wěn)定的，利用（HSE06）雜化泛函的海氏誤差估計了單層SiPN的能帶結構，包括相對于真空水平的價帶最大值（VBM）和導帶最小值（CBM）。討論單層SiPN沿X和Y方向暴露在單軸應變下，并提供了其能帶結構、太陽-氫（STH）效率和光吸收的響應來檢驗單軸應變的影響。
計算方法
所有的第一原理密度泛函理論(DFT)計算均在CASTEP軟件包中完成。對于幾何優(yōu)化和聲子譜，采用了Perdew-Burke-Ernzerhof (PBE)方案的廣義梯度近似(GGA)。單層SiAsP和SiAsN的平面波截斷能為770 eV，單層SiAsP、SiSbN和SiSbP的平面波截斷能為500 eV，單層SiSbAs的平面波截斷能為390 eV。使用能量收斂閾值5.0 × 10-6 eV和力收斂于0.01 eV/?來獲得最佳幾何結構。對于單層SiPN、SiAsN、SiAsP、SiSbN、SiSbP和SiSbAs的原始細胞，利用垂直方向20 ?的真空來防止相鄰層的相互作用。對于布里淵的k點采樣，單層SiAsP、SiSbP、SiSbAs采用1 × 4 × 2 Monkhorst-Pack方案，單層SiAsP、SiSbP、SiSbAs采用1 × 5 × 3 Monkhorst-Pack方案。
結論與展望
圖1(a)和(b)為完全松弛的單層SiP2和SiPN。對比圖1(a)和(b)，我們發(fā)現單層SiPN是通過將單層SiP2底層的N原子替換為P原子而形成的。如圖1 (b)所示，單層SiPN的晶格常數a和b分別為3.47 ?和4.97 ?。單層SiPN還具有Janus結構，由Si和N原子交替的彎曲蜂窩結構以及鋸齒形P鏈組成。單層SiPN的每一個原子都在其最外層有8個電子，說明單層SiPN的結構是合理的。為了進一步證實單層SiPN的穩(wěn)定性，研究了單層SiPN的結合能和聲子譜。單層SiPN的內聚能值為?7.91 eV/atom。這表明單層SiPN比其他IV組和V組元素的單層SiPN具有更高的能量。在單層SiPN的聲子-色散譜中，軟聲子模型難以檢測，這表明單層SiPN是動態(tài)穩(wěn)定的。此外，還注意到單層SiPN具有較高的光學分支，這可能在動態(tài)過程中提供額外的聲子吸收和發(fā)射通道，并引起強烈的電子-聲子散射。通過AIMD模擬，確認了平衡位置周圍的總能量，如圖1 (d)所示。對應的結構與圖2插圖中所示的初始結構相比，沒有明顯的變形、畸變或斷裂，說明SiPN單層在室溫下是穩(wěn)定的。
【純計算】Appl. Surf. Sci.：Janus單分子層SiXY用于光催化水分裂
圖1 單分子層SiP2的俯視圖和側視圖和穩(wěn)定性測試
接下來，利用HSE06泛函分析了單層SiPN的電子性質結構。從圖3 (a)可以看出，單層SiPN具有2.49 eV的間接帶隙，VBM沿S到X路徑定位，這表明單層SiPN可以廣泛應用于紫外發(fā)光二極管和高頻電子器件。此外，通過計算單層SiPN的功函數，得到了CBM和VBM相對于真空能級的對齊。從圖3 (d)可以看出，還原電位（VH+/H2 =?4.44 eV）略低于VBM（約0.217 eV），氧化電位（VOH/O2 =?5.67 eV）遠高于CBM（1.37eV），說明單層SiPN符合光催化水裂解的基本帶結構條件。
此外，為了研究不同類型的原子對電子態(tài)軌道的貢獻，作者計算了單層SiPN的總態(tài)密度（TDOS）和部分態(tài)密度（PDOS），如圖2 (b).所示SiPN的TDOS顯示，接近VBM的軌道占據態(tài)大于接近CBM的軌道占據態(tài)，這可能導致載流子從VBM到CBM的轉變更困難，光吸收的第一個峰也更小。詳細地說，根據SiPN的PDOS，VBM附近的軌道占據狀態(tài)對P和N原子的p軌道有顯著貢獻，而對Si原子的p和s軌道的貢獻明顯較低。同時，CBM附近的軌道占據態(tài)以P和Si原子的p軌道為主，而N原子的p和s軌道的貢獻明顯較小。CBM和VBM在不同原子中的空間分布有助于激子的分離，提高材料的光催化性能。
【純計算】Appl. Surf. Sci.：Janus單分子層SiXY用于光催化水分裂
圖2 單層SiPN電子性質
如圖3(a)和(b)所示，EVGW0 + BSE計算得到的SiPN單層吸收光譜與HSE06計算得到的吸收光譜相比存在明顯的紅移，且光學間隙較低，這是由于強烈的激子效應。還注意到HSE06計算出的吸收邊大于其帶隙，這可能是由于間接帶結構中的電子不能直接從VBM躍遷到CBM。從圖3 (b)可以看出，單層SiPN在可見光范圍內具有中等的吸收，但在超強光范圍內具有顯著的高吸收。但是，值得注意的是，與GaTe、BN基第二類異質結以及磷化硼-藍磷烯等其他引人注目的2D光催化劑相比，SiPN單分子層在可見光范圍內的光學吸收相當小。因此，要成為一種良好的水分解光催化劑，必須以某種方式提高單層SiPN對可見光的吸收。
【純計算】Appl. Surf. Sci.：Janus單分子層SiXY用于光催化水分裂
圖3 .(a)和(b)分別采用HSE06法和EVGW0 + BSE法對單層SiPN的光吸收光譜
以上結果表明，單層SiPN具有理想的光催化水分裂帶結構，但由于可見光吸收率低和STH效率一般，其活性可能受到限制。因此，需要對單層SiPN進行進一步的修飾，以提高其光催化性能。如圖4所示，作者探討了在X和Y方向上的單軸應變如何影響單層SiPN的性能。單軸應變定義為η=（a-a0）/ a，其中a0表示應變前的初始晶格常數，a表示應變后的晶格常數。單軸應變η調整為?值在8%~8%之間。η的正、負值分別表示拉伸應變和壓縮應變。如圖4(a)所示，可以觀察到單層SiPN的帶隙增大的應變范圍為8-%~4%，而沿Y方向的應變范圍為4%~8%。單軸應變對X和Y方向帶隙的單軸應變效應表明，通過施加壓縮應變可以減小帶隙，從而增強SiPN在可見光區(qū)域的光吸收。
更有趣的是，在Y方向施加壓縮應變可能比在X方向施加壓縮應變更有效地調節(jié)帶隙。圖4(b)描述了單層SiPN相對于真空能級的VBM和CBM沿X和Y方向隨單軸應變的變化。結果表明，隨著單軸應變沿X方向的變化，單層SiPN的帶邊符合光催化水裂解的標準，其中VBM值均低于氧化電位，CBM值均大于還原電位。因此，為了保護光催化劑的活性，應該小心謹慎在單層SiPN中，我注意到沿X方向施加光偏振時的光吸收比沿Y方向施加光偏振時的光吸收小。由于沿Y方向-8%≤η≤-4%時，氧化反應驅動力小于0，這一現象使得單層SiPN沿Y方向應變時應用于光催化裂解水的效果不佳。相對而言，X方向應變的調節(jié)對改善單層SiPN的光催化性能非常有效。ηsth值甚至達到19.07%，突破了常規(guī)光催化劑劈水的理論極限(~ 18%)。
【純計算】Appl. Surf. Sci.：Janus單分子層SiXY用于光催化水分裂
圖4 ?單層SiPN的帶隙隨單軸應變的變化而變化的電子關系
盡管單層SiPN具有很高的光催化裂解水的潛力，但與其他二維Janus光催化劑相比，它存在一些缺點。從前人的工作中，認識到Janus材料的內稟面外電場是促進光催化性能的關鍵因素。因此，我們嘗試替換V族N和P原子的表面來調節(jié)本征電場，希望進一步增強SiPN半導體的電子和光學性能。基于此，作者設計一種新的單層結構，命名為SiXY (X = As, Sb Y = P, As, Sb)，如圖5 (a)所示。所有類型的單層SiXY (X = As, Sb Y = P, As, Sb)都是完全松弛的，其對應的結合能和晶格常數如表2所示。在研究單層SiXY (X = As, Sb Y = P, As, Sb)的電子和光學性質之前，必須考慮單層SiXY的穩(wěn)定性。因此，作者計算了單層SiXY的聲子譜，如圖5(d)-(f)所示。SiAsN、SiAsP、SiSbN、SiSbP和SiSbAs的內聚能分別為?7.55、?6.05、?7.18、?5.88和?5.75 eV/atom。這可以證明單分子SiXY (X = As, Sb Y = P, As, Sb)具有與單分子SiPN相同的能量穩(wěn)定性。此外，還通過計算單層SiAsN、SiAsP、SiSbN、SiSbP和SiSbAs的聲子-色散譜來評估它們的動力學穩(wěn)定性，如圖5 (b)-(f)所示。單層SiAsP、SiSbP和SiSbAs的聲子譜表明，在Γ點附近的聲學分支呈線性且完全為正，表明這三種單層SiAsP在能量和動力學方面都是穩(wěn)定的。進行室溫300K下的AIMD模擬，進一步體現單層SiAsP、SiSbP和SiSbAs的熱動態(tài)穩(wěn)定性。
【純計算】Appl. Surf. Sci.：Janus單分子層SiXY用于光催化水分裂
圖5 單層SiXY（X = As，Sb Y = P，As，Sb）結構圖及穩(wěn)定性測試
圖7(a)-(c)用HSE06方法顯示了單層SiAsP、SiSbP和SiSbAs的能帶結構。單層SiAsP、SiSbP和SiSbAs的帶隙分別為2.35 eV、1.88 eV和2.17 eV。由于帶隙較小，這三種單層分子與單層SiPN相比，在可見光區(qū)域可能表現出更強的光吸收。同時單層SiAsP、SiSbP和SiSbAs的帶邊位置滿足光催化裂解水的要求，如圖7(a) – (c)所示。同時，也注意到這三種單層結構產氫的驅動力比SiPN大得多，這說明這三種單層結構在析氫反應中可能有更好的潛力。此外，計算了SiAsP、SiSbP和SiSbAs的有效質量，單層SiAsP、SiSbP和SiSbAs沿y方向的電子有效質量分別為0.72 m0、0.60 m0和0.43m0，沿x方向的電子有效質量分別為0.16m0、0.26m0和0.42m0。相對而言，SiAsP、SiSbP和SiSbAs在y方向上的空穴有效質量分別為1.02m0、2.91m0和0.56 m0，在x方向上的空穴有效質量分別為1.02m0、2.91m0和0.94m0。如表3所示，電子有效質量越小，電子遷移率越強，特別是沿這三種單層結構的x方向，有利于光生電子-空穴對的分離，減少電子與空穴的復合，從而提高光催化活性。單層SiAsP、SiSbP和SiSbAs的電子有效質量與單層SiPN相比都很小，這意味著這三種單層結構的電子遷移率可能比單層SiPN更大。
【純計算】Appl. Surf. Sci.：Janus單分子層SiXY用于光催化水分裂
圖6 單層SiAsP、SiSbP和SiSbAs的能帶結構及帶邊位置
結論展望
綜上所述，在第一性原理計算的基礎上，提出了一種新的二維Janus單層半導體SiXY（X = As，Sb Y = P，As，Sb），并系統(tǒng)地探討了單層的結構穩(wěn)定性、電子性質、有效質量、光學性質和光催化性質。作者發(fā)現不僅目前四種類型的2D半導體，包括SiPN，SiAsP，SiSbP和SiSbAs，用于光催化水分裂和光電設備，也提供了一個有價值的建議：如何調節(jié)二維光催化劑和提高他們的電子、光學和光催化性能。
文獻信息
Zhao, Y., Zhang, B., & Lin, J. (2023). Janus monolayer SiXY (X= P, as and Sb, Y= N, P, As) for photocatalytic water splitting. Applied Surface Science, 621, 156883.
https://doi.org/10.1016/j.apsusc.2023.156883

原創(chuàng)文章，作者：計算搬磚工程師，如若轉載，請注明來源華算科技，注明出處：http://m.xiubac.cn/index.php/2024/02/27/4b9ae6dab9/

贊 (0)

相關推薦

永修县| 聂拉木县| 连云港市| 齐河县| 蓬莱市| 察隅县| 西安市| 三原县| 怀化市| 宜春市| 通辽市| 遂宁市| 台北市| 错那县| 崇义县| 个旧市| 贡嘎县| 教育| 南康市| 谢通门县| 龙陵县| 五峰| 连南| 岚皋县| 岳阳县| 五家渠市| 江孜县| 四会市| 上饶市| 通化市| 黑山县| 平利县| 平果县| 泽库县| 雷州市| 万宁市| 壶关县| 安庆市| 越西县| 河间市| 宾川县|