类黑磷SbP光电性质和电催化性能的应变效应研究

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石墨烯的发现与制备使得二维材料逐步进入人们的研究视野,并逐渐成为科学研究焦点。二维黑磷是一种具有直接带隙的半导体材料,以其独特的机械性能、光电特性在光电器件、光学传感器等领域运用广泛。受黑磷优异特性的影响,二维V-V二元化合物材料锑化磷(SbP)也得到了人们的关注,SbP被人们发现具有优良的物理特性,并且其稳定性优于黑磷。同时,为了更好地扩展SbP的应用领域,可以采用一定的手段来提高它的物理、化学特性。本文在密度泛函理论框架下,采用VASP软件包,研究了应变调控下α相锑化磷(α-SbP)的电子性质、光学性质以及电催化性能。旨在为二维材料α相锑化磷(α-SbP)在光电器件设计、加速催化活性等领域的应用中提供有效的理论支持。本论文主要包含以下两项内容:1、α相锑化磷(α-SbP)是一种新型的二维材料,具有合适的带隙和环境稳定性,因其在光电子领域的潜在影响受到了广泛关注。本章在VASP计算软件包的模拟下,计算研究了单层α相锑化磷(α-SbP)在双轴应变下的电学性质和光学性质。研究结果显示,施加拉伸应变后,SbP的带隙先增大后减小,但带隙值波动范围较小,控制在0.08 e V以内。然而,随着压缩应变强度的增大,SbP的带隙宽度逐渐减小,约在-5%的应变处发生半导体-金属转变。同时,通过比较不同应变下SbP光学性质的变化发现;拉伸应变下,SbP的光学性质变化不大,光吸收峰主要集中在紫外区域,而压缩应变下SbP的光吸收范围涉及可见光和紫外光区。综合分析发现,SbP的光电性质在拉伸应变下比较稳定,但是对压缩应变非常敏感,造成这一结果的原因是原子间耦合作用的不同。研究结果表明应变工程可以有效调节SbP的光电性能,为二维材料α相锑化磷(α-SbP)在光电子领域的应用中提供理论支持。2、已有的研究结果显示本征黑磷的催化活性很低,难以在析氢过程中提高转化效率,单层黑磷不宜用来做析氢反应催化剂。因此,寻找一种催化活性高于黑磷的二维材料显得尤为重要。本章基于第一性原理,计算了单层α相锑化磷(α-SbP)在应变工程调控下的催化活性,本文通过吉布斯自由能(ΔGH)的大小来判断催化活性的强弱。结果显示;在外加双轴拉伸应变作用下SbP的ΔGH值先增大后减小,在10%的应变下导电性和催化活性达到最高值;而对于压缩应变,SbP的ΔGH值逐渐减低,导电性逐渐增加,在-8%的外加应变下ΔGH值为0.124e V,此时,SbP的催化活性达到最高状态。本文的研究结果为单层SbP作为一种新型的催化剂提供了一定的理论支持,同时证明应变调控可以作为一种有效的提升α相锑化磷(α-SbP)析氢反应催化活性的方法。
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