二维层状Janus-In2SeTe/C2N范德华异质结在光催化和光伏应用中的第一性原理计算研究
作者及机构
本研究的通讯作者为河南理工大学的Bao-Ji Wang（邮箱：wbj@hpu.edu.cn）和同济大学的San-Huang Ke（邮箱：shke@tongji.edu.cn），合作作者包括Xiao-Hua Li、Hui Li、Xue-Feng Yang、Rui-Qi Zhao、Xing-Tao Jia。研究团队来自河南理工大学物理与电子信息工程学院、材料科学与工程学院，以及同济大学物理科学与工程学院微结构材料教育部重点实验室。研究成果发表于*New J. Chem.*期刊2020年第44卷，页码16092–16100，DOI: 10.1039/d0nj03296d。
学术背景
研究领域与动机
本研究属于二维材料与光电器件交叉领域，聚焦于范德华异质结（van der Waals heterostructures, vdWHs）的设计及其在光催化水分解和太阳能转换中的应用。随着对清洁能源需求的增长，开发高效光催化与光伏材料成为研究热点。传统二维材料（如过渡金属硫族化合物TMDs）面临载流子复合率高、光吸收范围有限等问题。而类型II型（type-II）能带对齐的异质结可通过空间分离电子-空穴对抑制复合，从而提升效率。
科学问题与目标
作者提出通过结合Janus-In2SeTe单层（一种具有非对称结构的硒碲化铟）和C2N单层（一种氮掺杂碳材料），构建新型vdWHs，旨在解决以下问题：
1. 异质结的稳定性与电子结构特性；
2. 光催化水分解的能带边缘位置匹配性；
3. 光伏转换效率（PCE）的优化潜力。
研究方法与流程
1. 材料建模与结构优化
- 研究对象：构建两种异质结构型——TeIn2Se/C2N（Se侧接触C2N）和SeIn2Te/C2N（Te侧接触C2N），采用2×2×1超胞匹配C2N单胞，晶格失配率仅1.89%。
- 计算方法：基于密度泛函理论（DFT），使用VASP软件包，采用PBE泛函和DFT-D2修正范德华力；电子结构通过HSE06杂化泛函校准。
- 稳定性验证：通过结合能计算和分子动力学模拟（AIMD）确认G堆叠构型在400 K下稳定。
2. 电子结构与能带分析
- 能带对齐：HSE06计算显示两种异质结均为直接带隙半导体（TeIn2Se/C2N: 1.64 eV；SeIn2Te/C2N: 1.33 eV），且呈现类型II型能带排列（C2N导带最低，Janus-In2SeTe价带最高）。
- 电荷转移：Bader电荷分析表明，电子从Janus层向C2N层转移（0.05–0.07 |e|/单胞），形成内置电场，促进载流子分离。
3. 光催化性能评估
- 能带边缘位置：在pH=0时，TeIn2Se/C2N的价带顶（VBM）略低于水氧化电位（+0.03 eV），而SeIn2Te/C2N在pH≥2时完全跨越水氧化/还原电位，满足全解水条件。
- 激子结合能：异质结的激子结合能（0.12–0.14 eV）显著低于单层C2N（1.14 eV），表明载流子分离效率高。
4. 光伏特性与应变调控
- 光吸收：异质结在紫外-可见光区（2.18–4.18 eV）吸收强度比单层材料提升2–3倍。
- 转换效率：原始结构的PCE为12.21%（SeIn2Te/C2N）和16.26%（TeIn2Se/C2N），通过施加双轴应变可进一步提升——5%拉伸应变使SeIn2Te/C2N的PCE增至21.47%。
主要结果与结论
- 电子特性：两种异质结均表现出类型II能带对齐、低激子结合能和高载流子迁移率（电子迁移率最高达5530 cm² V⁻¹ s⁻¹）。
- 光催化潜力：SeIn2Te/C2N在宽pH范围内满足水分解的热力学要求，且光吸收范围覆盖太阳光谱主要区域。
- 光伏应用：应变工程可显著调控PCE，最高效率达21.47%，优于多数已报道的C2N基异质结（如InTe/GaTe/C2N体系）。
研究价值与亮点
科学价值
- 首次提出Janus-In2SeTe/C2N异质结的设计，揭示了其非对称结构对能带对齐和电荷分离的调控机制。
- 通过应变工程实现PCE的定向优化，为二维材料性能调控提供了新思路。
应用前景
- 可作为双功能材料（光催化+光伏）用于太阳能转换器件。
- 高载流子迁移率和低激子结合能使其在高速光电器件中具有潜力。
创新点
1. 结合Janus非对称性与C2N的孔洞结构，实现高效的载流子空间分离。
2. 通过第一性原理计算预测了应变对PCE的增强效应，实验可行性高。
其他发现
- 真空能级偏移：SeIn2Te/C2N因Janus层的自发极化与界面电场协同作用，真空能级差增大，进一步促进电子转移。
- 对比研究：InSe/C2N异质结因类型I能带对齐导致载流子复合率高，凸显了Janus结构设计的优势。
本研究通过理论计算为实验合成高效光电器件材料提供了明确指导，后续可通过化学气相沉积（CVD）等方法验证其实际性能。