Appl. Surf. Sci.：Janus单分子层SiXY用于光催化水分裂

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研究背景

本文聚焦于开发新型二维水分裂半导体光催化剂，强调高稳定、环保、廉价的特性。Janus SiP2单层因其内部电场的特性，展现良好的光裂解催化活性，其内部电场由不同原子在顶层和底层子层构成。通过调整顶层和底层原子，可以有效调控内部电场，进而提升其光催化水分裂性能。

集美大学林家和与厦门大学zhang bofeng等人合作，设计了一种单层SiPN，通过将两个P亚层替换为N原子。他们进行了内聚能和声子谱计算，表明单层SiPN具有高度稳定性。利用（HSE06）杂化泛函估计了单层SiPN的能带结构，包括VBM（价带最大值）和CBM（导带最小值）。研究还探讨了单层SiPN在不同单轴应变下的能带结构、STH效率和光吸收响应。

计算方法

所有的第一原理密度泛函理论(DFT)计算均在CASTEP软件包中完成。几何优化和声子谱计算采用PBE方案的广义梯度近似(GGA)。平面波截断能用于不同单层SiPN系统，分别为单层SiAsP、SiSbN和SiSbP的770 eV，单层SiSbAs的390 eV。能量收敛阈值设为5.0 × 10-6 eV，力收敛设为0.01 eV/Å以获得最佳几何结构。

结论与展望

单层SiPN的稳定性通过结合能和声子谱测试得到验证，内聚能值为−7.91 eV/atom，表明单层SiPN具有更高的能量稳定性。在动态过程中，单层SiPN表现出较强的光学分支，可能提供额外的声子吸收和发射通道。通过AIMD模拟，确认了单层SiPN在室温下的稳定性。

利用HSE06泛函分析单层SiPN的电子性质，显示具有2.49 eV的间接带隙，适用于紫外发光二极管和高频电子器件。计算单层SiPN的功函数，显示还原电位与氧化电位的匹配，满足光催化水裂解的基本带结构条件。PDOS计算揭示了VBM和CBM附近轨道占据状态与原子贡献的关系，有助于激子的分离，提高光催化性能。

单层SiPN的光吸收光谱通过HSE06法和EVGW0 + BSE法计算得出，显示在可见光范围内的中等吸收和在超强光范围内的显著高吸收。然而，与其它2D光催化剂相比，单层SiPN在可见光范围内的光学吸收相对较小，限制了其活性。

研究结果表明，单层SiPN具有理想的光催化水分裂带结构，但可见光吸收率低和STH效率一般限制了其性能。为了提高单层SiPN的光催化性能，需要对其进一步修饰。通过单轴应变，X和Y方向的应变对单层SiPN性能产生影响，压缩应变可以减小带隙，增强在可见光区域的光吸收。

通过设计新的单层SiXY（X = As，Sb Y = P，As，Sb）结构，作者提出了一种改进策略，以调节内禀电场并增强半导体的电子和光学性能。这种方法为开发更有效的二维光催化剂提供了有价值的见解。