电场对GaN/g-C3N4 异质结电子结构和光学性质影响的第一性原理研究*

刘晨曦 庞国旺 潘多桥 史蕾倩 张丽丽† 雷博程‡ 赵旭才†† 黄以能2)

1)(伊犁师范大学物理科学与技术学院,新疆凝聚态相变与微结构实验室,伊宁 835000)

2)(南京大学物理学院,固体微结构物理国家重点实验室,南京 210093)

采用基于密度泛函理论的第一性原理平面波超软赝势方法研究了GaN/g-C3N4 异质结的稳定性、电子结构、光学性质及功函数,同时考虑了电场效应.结果表明:GaN/g-C3N4 范德瓦耳斯异质结的晶格失配率(0.9%)和晶格失配能极低(–1.230 meV/Å2,1 Å=0.1 nm),说明该异质结稳定性很好,且该异质结在很大程度上保留了GaN 和g-C3N4 的基本电子性质,可作为直接带隙半导体材料.同时,GaN/g-C3N4 异质结在界面处形成了从GaN 指向g-C3N4 的内建电场,使得光生电子-空穴对可以有效分离,这有利于提高体系的光催化能力.进一步分析可知,外加电场使GaN/g-C3N4 异质结的禁带宽度有着不同程度的减小,使得电子从价带跃迁至导带更加容易,有利于提高体系的光催化活性;此外,当外加电场高于0.3 V/Å以及低于–0.4 V/Å时,异质结的能带排列由I 型向II 型过渡,更好地实现光生电子-空穴对的分离,进一步提高了体系的光催化活性.因此,本文提出的构建异质结及施加外电场是提高体系光催化活性的有效手段.

1 引言

随着科学技术的快速发展,环境污染问题和可再生能源开发是当今社会亟待解决的两大难题[1,2].太阳能是地球上最丰富的可再生能源,而利用半导体催化剂则能将太阳能转化为化学能,这种光催化技术在光解有害化学品、人工光合作用以及光催化分解水等各种领域得到了广泛的应用[3−5].其中,能作为半导体催化剂的材料有很多,如:TiO2[6],CdS[7],GaN[8]以及g-C3N4(graphitic carbon nitride)[9]等.因g-C3N4的原材料价格低廉、制备简单,且具有独特的带隙位置,可见光波长范围内就能发生催化反应,在理论和实验的研究上均受到了广泛关注[10,11].但是g-C3N4的结构中存在空位缺陷且各原子的电负性不同会产生大量氢键,使得体系的催化效率受到影响[12].近年来,研究者们为了改善上述问题,采用了掺杂[13]、表面改性[14]及异质结[15]等多种方式进行调控,其中异质结的层间范德瓦耳斯作用能够最大程度的保留材料自身的优异性能,并且由于层间耦合作用可能还会出现更加优异的物理性质[16].如:Xu 等[17]通过溶剂剥离法获得g-C3N4纳米片,显示出了适度的光催化活性,后采用静电自组装法合成Fe2O3/g-C3N4异质结,发现构建异质结能够极大地提高体系的光催化活性.Zhang 等[18]采用水热法制备了In2S3/g-C3N4复合材料.通过对光电流响应的分析,发现与纯In2S3和g-C3N4相比,In2S3/g-C3N4异质结光催化降解甲苯的活性更高.Ye 等[19]采用机械混合和溶剂热法成功合成了LaNiO3/g-C3N4纳米复合光催化剂,发现LaNiO3/g-C3N4样品表现出光催化效率很高,是纯LaNiO3纳米材料的5 倍.随着AgVO3/g-C3N4[20],MoSe2/g-C3N4[21],WS2/g-C3N4[22],MoS2/g-C3N4[23],ZnS/g-C3N4[24]等异质结的成功制备,其结果均表明构建以g-C3N4为基的异质结能够进一步提高体系的光催化性能.除此之外,许多研究小组对以GaN 为基的异质结进行了 研究,如:GeC/GaN[25],WS2/GaN[26],MoSe2/GaN[27],MoS2/GaN[28]等异质结,可推断由GaN组成的异质结是极具潜力的光催化剂材料.因此,本研究尝试构建一个稳定的GaN/g-C3N4异质结并对其电子结构及光学性质进行研究.然而,在实际应用中有些异质结并不能很好地达到所需要的催化效率,但有研究发现对异质结施加外电场是提高异质结催化效率的有效手段之一,如:Li 等[29]研究了外电场对Graphene/g-C3N4异质结光催化性能的影响,发现施加电场后不仅能打开石墨烯的固有带隙,而且适当的外加电场还能使Graphene/g-C3N4异质结具有较高的载流子迁移率,有利于提高体系的光催化能力.不仅如此,电场还能调控异质结的能带排列,如:WSe2/g-C3N4[30]以及GaS/g-C3N4[31]异质结均属于本征I 型能带排列,通过对异质结施加外电场,发现电场可以有效地调节层间耦合和电荷转移,进一步改变能带结构,实现体系从I 型能带向II 型能带的转变,使得体系的催化能力得以提高.显然,外加电场能够有效地提高体系的催化能力.

因此,本文利用第一性原理的方法构建并计算了GaN/g-C3N4异质结,探讨了GaN/g-C3N4异质结能否弥补g-C3N4自身的局限性,并分析该异质结的光催化活性;研究了外加电场能否进一步提高异质结的催化效率,以期能够制备出稳定高效的光催化剂材料,为相关的实验制备提供理论参考.

2 计算方法和模型构建

2.1 计算方法

本文利用Materials Studio 2017 中的CASTEP[32]模块,使用广义梯度近似(GGA)下的Perdew-Burke-Ernzerhof (PBE)泛函描述电子交换关联作用[33].在计算过程中,采用了两种含半经验方法的Tkatchenko-Scheffler (TS)和Grimme 方案来修正范德瓦耳斯(vdW)力[34].本文计算的具体参数如下:能量收敛精度(SCF)为2×10–6eV/atom,单原子受力小于0.5 eV/nm,内应力小于0.1 GPa,公差偏移量为0.0002 nm.合适的平面波截断能(Ecut)不仅可以获得准确的计算结果,还能节约计算资源,因此本研究对截断能进行了收敛性测试,Ecut取为500 eV;根据Monkhorst-Pack 方案[35]K格点选取为3×3×1,所有计算均在倒易空间进行.

2.2 模型构建

本文研究的主要对象是GaN/g-C3N4异质结.在构建异质结之前,首先对体相g-C3N4以及GaN 进行了几何优化,然后将优化后单胞沿着(001)面切割成二维g-C3N4(a=b=4.779 Å)和GaN(a=b=3.210 Å),最后根据晶格匹配情况,异质结模型分别由2×2 的g-C3N4和3×3 的GaN构成,共包含46 个原子(如图1 所示).为减小层间的耦合作用,在c轴上添加了20 Å的真空层.本研究涉及的各原子价电子组态分别为:C(2s22p2),N(2s22p3),Ga(4s24p1).

图1 (a) GaN 单胞俯视图;(b) g-C3N4 单胞俯视图;(c) 3×3 的单层GaN 俯视图;(d) 2×2 的单层g-C3N4 俯视图;(e) GaN/g-C3N4 异质结侧视图Fig.1.Top views of primitive cells of monolayer GaN (a)and g-C3N4 (b);top views of (c) monolayer GaN with 3 ×3 lateral periodicity and (d) monolayer g-C3N4 with 2×2 lateral periodicity;(e) side view of GaN/g-C3N4 heterojunction.

3 分析与讨论

3.1 结构与稳定性

为了确定3 种堆叠模式的结构稳定性,本研究采用TS 和Grimme 色散校正方法计算了3 种模式的总能量,如图2(a)所示.GaN/g-C3N4异质结有3 种平行排列方式:模式I,GaN 六方环在g-C3N4六方环的正上方;模式II,g-C3N4六方环的N 原子在GaN 六方环的N 原子的正下方;模式III,g-C3N4六方环的中心在GaN 六方环的N 原子的正下方.结果显示,GaN/g-C3N4异质结的排列与局部结构有一定的相关性.3 种堆叠模式的总能量随色散校正方法的变化趋势很小,说明计算结果在定性上是稳健的.在两种色散校正方法中,模式II的总能量均最低,表明模式II 的结构最稳定.因此,下文将只研究模式II 的界面性质.

图2 (a) GaN/g-C3N4 异质结的3 种堆垛模式俯视图以及采用TS 和Grimme 色散修正方法获得的总能量;(b)几何优化后模式II 的结合能与层间距的关系Fig.2.(a) Top view of three stacking modes of GaN/g-C3N4 heterojunction and total energy obtained by TS and Grimme dispersion correction method; (b) the relation between the cohesive energies and interlayer spacing distance for stacking pattern II after geometric optimization.

为了进一步研究GaN/g-C3N4异质结的结构稳定性,本研究计算了不同层间距(distance)下的界面结合能,如图2(b)所示.结合能Ecoh[22]可表示为

式中ET(GaN/g-C3N4),ET(g-C3N4)及ET(GaN)分别表示GaN/g-C3N4异质结、g-C3N4以及GaN 的总能量.由文献[22]可知,结合能越小意味着结构越稳定.由图2(b)可知,当异质结层间距为3.6 Å时结合能最低(约为–2.960 meV/Å2).因此,GaN/g-C3N4异质结最稳定的层间距是3.6 Å.

为了进一步了解GaN/g-C3N4异质结的晶格匹配情况,计算了GaN 和g-C3N4之间的晶格失配率,设优化后的平衡晶格常数是a',单层g-C3N4和GaN 的晶格常数分别是a1和a2,则晶格失配率[36]可定义为σ=(a2−a1)/a1,由此可知GaN/g-C3N4的晶格失配率为0.9%,属于完全共格.同时,还计算了异质结的晶格失配能Emismatch[37],可表示为

通过上述分析,引入了范德瓦耳斯能对异质结进行了定量描述.范德瓦耳斯能ΔEvdw[39]的大小是由晶格失配能和结合能的绝对值之和所表示:

可得范德瓦耳斯能为4.19 meV/Å2,与Liao等[40]计算的范德瓦耳斯能十分接近,可推测在GaN/g-C3N4之间存在范德瓦耳斯力,可知GaN/g-C3N4是范德瓦耳斯异质结.

3.2 电子结构

为了探究异质结的界面相互作用对电子结构的影响,因此计算了单层g-C3N4、单层GaN 和GaN/g-C3N4异质结的能带图,如图3 所示.为了便于比较,各体系均选取能量零点为费米能级,沿布里渊区高对称点G(0,0,0),M(0,0.5,0.5),K(–0.333,0.667,0)及G(0,0,0)观察体系的能带结构.由于高能级不具备参考价值,主要研究的是费米能级附近–4—4 eV 的范围.图3(a)和图3(b)分别给出了单层g-C3N4和单层GaN 的能带图,可以发现二者均为直接带隙半导体,禁带宽度分别为1.638 eV 及2.124 eV,与Ivanov 等[41]对g-C3N4带隙的计算值1.62 eV 及Yeoh 等[42]对GaN 带隙的计算值2.16 eV 相近,说明本研究所用的计算方法及参数合理可靠.图3(c)是GaN/g-C3N4异质结的能带结构图,可以看出该异质结禁带宽度是1.656 eV,仍然是直接带隙半导体.与单层GaN 和单层g-C3N4的能带比较后发现,GaN/g-C3N4异质结的能带基本是GaN 和g-C3N4能带的简单叠加,这在很大程度上保留了各自独立的电子结构,可推测该异质结间的结合力是弱的范德瓦耳斯力,与上文分析一致.

此外,本研究还对GaN/g-C3N4异质结的总态密度和分波态密度进行了计算,如图3(d)所示.可知在费米能级附近异质结的导带主要是由C-2p和N-2p 轨道构成,价带则是由N-2p 和Ga-4p 轨道构成,费米能级向价带靠近,表现出半导体性质.由图3(d) GaN 的导带可知Ga-4p 和N-2p 轨道之间存在能级重叠现象,说明Ga 原子和N 原子间有着强烈的轨道杂化,有利于Ga-4p 轨道上的激发态电子跃迁至N-2p 轨道,使得电子集中在GaN/g-C3N4异质结界面的N 原子处.

图3 (a) 单层GaN 能带图;(b) 单层g-C3N4 能带图;(c) GaN/g-C3N4 异质结能带图;(d) GaN/g-C3N4 异质结的总态密度及分态密度图;(e) 单层GaN、单层g-C3N4 及异质结的吸收光谱图Fig.3.Energy band diagram of (a) monolayer GaN,(b) monolayer g-C3N4 and (c) GaN/g-C3N4 heterojunction;(d) total density of states and partial density of states of GaN/g-C3N4 heterojunction;(e) absorption spectra of monolayer GaN,g-C3N4 and GaN/g-C3N4 heterojunction.

光与物质的相互作用是深入分析半导体光学性质的重要研究手段,因此本研究还探讨了单层g-C3N4、单层GaN 及GaN/g-C3N4异质结的光吸收性能.由图3(e)的内插图可知,GaN/g-C3N4体系相对于单层g-C3N4体系向低能方向发生了明显的移动,也就是出现了红移,通过张丽丽等[43]的研究可知,红移现象说明该体系对光的响应能力提高,可推测GaN/g-C3N4相较于g-C3N4体系对光的响应能力有所提高.由图3(e)可知,GaN/g-C3N4在可见光区的吸收系数也明显得到提高,但异质结相对于单层GaN 在可见光区的吸收系数却变化不大.尽管异质结的吸收系数与单层GaN 十分相近,但从光催化的角度来说,GaN/g-C3N4的光催化性能更优,这是由于构建异质结后既能增加参与还原反应的电子数还能形成载流子的空间隔离,极大地提高了载流子的迁移率.由此可见,通过构建GaN/g-C3N4异质结有利于提升材料的光吸收性能.

为了研究异质结界面上的电荷转移情况,计算了单层g-C3N4、单层GaN 以及GaN/g-C3N4异质结的表面功函数,如图4 所示.表面功函数Φ[44]是指电子从半导体的内部逃逸到表面所需要的最低能量:

其中,Evac表示真空能级,Ef表示费米能级.从图4(a)和图4(b)可以看出,单层g-C3N4和单层GaN 的功函数分别是4.383 eV 以及4.993 eV,这意味着当单层GaN 与单层g-C3N4接触时,由于费米能级位置的不同,电子会从GaN 表面转移到g-C3N4表面,当达到平衡时,二者的费米能级移动到相同的能量.图4(c)是GaN/g-C3N4异质结的功函数,在所有体系中,异质结的表面功函数是最小的(4.031 eV),说明该体系受到太阳光照射后,电子从内部逃逸到半导体表面所需要的能量最小,电子跃迁是最易发生的.在图4(c)中,由于GaN/g-C3N4界面间电荷的重新分配,导致界面产生了7.900 eV 的电势差,且在界面间形成了从g-C3N4层指向GaN 层的内建电场.据文献[45]报道,内建电场能够提高光生电子-空穴对的分离,可推测该异质结界面间的光生电子-空穴对在内建电场的作用下能够更好的分离,这对载流子的迁移以及光催化能力的提高大有裨益.

通过上述分析,可知异质结的界面间有电荷的转移,为了进一步阐明异质结间的电荷转移的具体情况,计算了平衡距离时异质结的电荷差分密度,如图4(d)所示.在GaN/g-C3N4异质结界面,电荷从GaN 耗尽,在g-C3N4处积累,说明界面间的电荷从GaN 向g-C3N4转移,在界面处形成了g-C3N4指向GaN 的内建电场,极大地减少了电子-空穴对的复合,有效地提高了体系的光催化性能,这与功函数的结果分析一致.

图4 (a) 单层g-C3N4 功函数;(b) 单层GaN 功函数;(c) GaN/g-C3N4 异质结功函数;(d) GaN/g-C3N4 异质结的三维差分电荷密度图(绿色和紫色分别表示电荷耗尽和电荷积累)Fig.4.Work function of (a) monolayer g-C3N4,(b) monolayer GaN and (c) GaN/g-C3N4 heterojunction;(d) three-dimensional differential charge density diagram of GaN/g-C3N4 heterojunction (green and purple represent charge depletion and charge accumulation,respectively).

3.3 电场

引入外加电场是一种调节带隙和改变异质结构固有特性的有效策略[31],故设置电场方向垂直于GaN/g-C3N4异质结平面(c方向).图5 是GaN/g-C3N4异质结在不同电场(–0.6—0.5 V/Å)下的能带结构.可发现GaN/g-C3N4异质结在电场的作用下带隙均有不同程度的减小,且仍为直接带隙,这能够避免电子在跃迁时发生的弛豫过程,从能量利用的角度来说,直接带隙的材料对光的利用率更好一些.结合图6 可知:当施加–0.4 V/Å 至–0.1 V/Å的电场时,GaN/g-C3N4的带隙变化基本一致,均约为1.486 eV;当电场加至–0.5 V/Å时,异质结的带隙发生了明显变化,减小到0.685 eV,极大地提高了电子跃迁的概率;当电场为–0.6 V/Å时,带隙陡降至0.001 eV,异质结从半导体转变为金属,这可能是因为沿着外电场方向的电荷发生局域化,导致电荷局限在原子平面上,使平面内的电荷发生离域化.当施加0—0.4 V/Å的正电场时,可以观察到GaN/g-C3N4的带隙逐渐减小,且呈现出近似线性的变化,后在0.5 V/Å时带隙陡降至0.103 eV,GaN/g-C3N4由半导体转变为金属.此外,在电场调控的研究中发现未加电场的GaN/g-C3N4属于I 型异质结,而施加高于0.3 V/Å以及低于–0.4 V/Å的电场不仅可以实现带隙的降低,还能使异质结的能带排列由I 型向II 型过渡,有效地实现光生电子-空穴对的分离,与Ye 等[30]外电场能够改变能带排列的结论一致.上述结果表明,外电场可以有效地调节GaN/g-C3N4异质结的能带结构,使得电子从价带跃迁至导带更加容易,促进了异质结界面间的电荷转移,有利于提高其光催化活性.

图5 在不同外加电场(–0.6—0.5 V/Å)下GaN/g-C3N4 异质结的能带结构图,能量零点设置为费米能级 (a)–0.6 V/Å;(b)–0.5 V/Å;(c)–0.4 V/Å;(d)–0.3 V/Å;(e)–0.2 V/Å;(f)–0.1 V/Å;(g) 0 V/Å;(h) 0.1 V/Å;(i) 0.2 V/Å;(j) 0.3 V/Å;(k) 0.4 V/Å;(l) 0.5 V/ÅFig.5.Energy band structure of GaN/g-C3N4 heterojunction under different applied electric fields,with the energy zero set as the Fermi level:(a)–0.6 V/Å;(b)–0.5 V/Å;(c)–0.4 V/Å;(d)–0.3 V/Å;(e)–0.2 V/Å;(f)–0.1 V/Å;(g) 0 V/Å;(h) 0.1 V/Å;(i) 0.2 V/Å;(j) 0.3 V/Å;(k) 0.4 V/Å;(l) 0.5 V/Å.

图6 GaN/g-C3N4 能带结构随外电场的变化Fig.6.Variation trend of GaN/g-C3N4 band gap width with external electric field.

4 结论

本文基于第一性原理,主要研究了GaN/g-C3N4范德瓦耳斯异质结的电子性质,包括堆垛方式、层间距以及外电场的影响.结论如下:GaN/g-C3N4范德瓦耳斯异质结具有极低的晶格失配率(0.9%)及晶格失配能(–1.230 meV/Å2),表明该异质结的稳定性很高.从电子结构可知,异质结的带隙为1.656 eV,且基本保留了单层GaN 和单层g-C3N4的性质,可作为直接带隙半导体材料.进一步的计算表明,异质结内的电荷主要是由GaN 向g-C3N4转移,在界面处形成了内建电场,有效抑制了光生电子-空穴对的复合,这对载流子的迁移以及光催化能力的提高大有裨益.当外加正负电场作用时,异质结的带隙有不同程度的减小;当外加电场为–0.6 V/Å和0.5 V/Å时,异质结发生了半导体-金属相变;在外加电场高于0.3 V/Å以及低于–0.4 V/Å时,异质结的能带排列由I 型向II 型过渡,更好地实现光生电子-空穴对的分离,进一步提高体系的光催化活性.因此,外电场可以有效地调节GaN/g-C3N4异质结的禁带宽度,使得电子从价带跃迁至导带更加容易,促进了异质结界面间的电荷转移,有利于提高其光催化活性.上述结论为GaN/g-C3N4范德瓦耳斯异质结在光催化领域的应用提供了必要的参考.