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在氮化镓（GaN）纳米片研究中，其性能调控至关重要却缺乏系统研究。研究人员通过 DFT 计算，探究氢化和卤化对 GaN 纳米片电学和光学性能的影响。发现能调控带隙，Janus GaN-Cl 结构有独特性能。为相关器件设计提供新原理。
在纳米技术蓬勃发展的当下，新型材料不断涌现，氮化镓（GaN）纳米片便是其中的佼佼者。二维 GaN 因具有独特的结构、电学和光学性能，在下一代光电子和电子器件领域展现出巨大潜力。其原子结构呈褶皱的六边形，与体相 GaN 不同，且具有约 5.0 eV 的直接带隙，适用于高性能光电器件 。不过，尽管此前研究已表明可通过改变材料厚度等方式调控其带隙，但对于如何更精准、高效地调控 GaN 纳米片的电学和光学性能，仍缺乏系统研究。尤其是同时进行氢化和卤化对其性能影响的研究存在空白，这限制了 GaN 纳米片在实际应用中的进一步发展。为填补这一关键研究空白，探索更优的性能调控策略，研究人员开展了相关研究。此次研究成果发表在《Computational and Theoretical Chemistry》上，为 GaN 基器件的设计提供了全新思路，意义重大。
研究人员运用的关键技术方法主要是基于密度泛函理论（DFT）的第一性原理计算，借助 Quantum ESPRESSO 软件包，采用 Perdew-Burke-Ernzerhof（PBE）形式的广义梯度近似（GGA-PBE）进行计算。这种方法在研究材料的电子和光学性质方面具有较高的可靠性和准确性，被广泛应用于相关领域的研究。
结构性质研究
研究选取包含两个镓原子和两个氮原子的单元胞，Ga-N 键长为 1.97 ?，其布拉维晶格具有类似体相的六边形晶体结构。研究中对不同氢化和卤化（氟 F、氯 Cl）形式的 GaN 纳米片进行结构分析，为后续电学和光学性质研究奠定基础。
电子和光学性质研究
- 带隙调控：研究发现，氢化和氟化能显著增加 GaN 纳米片的带隙，而氯化则使其带隙减小。通过控制氢化和卤化程度，可实现带隙在 0.15 eV 到宽禁带范围的调节。这一发现为设计具有特定带隙要求的光电器件提供了理论依据，比如在红外检测（热成像和气体传感）等对带隙有特殊要求的应用场景中具有重要价值。
- Janus GaN-Cl 结构特性：Janus GaN-Cl 结构展现出独特的性能，它具有异常的介电性能，同时带隙极窄，仅为 0.15 eV。这种特殊的结构和性能组合，使其在多光谱传感技术方面有很大的发展潜力，有望推动相关技术的重大进步。
- 梯度带隙工程：研究人员通过部分功能化实现了梯度带隙工程。这意味着可以根据实际应用需求，精确调控材料不同区域的带隙，为制造高性能、多功能的光电器件提供了新的设计思路和方法。
研究表明，氢化和卤化能够显著改变 GaN 纳米片的电学和光学性能，实现带隙的有效调控，发现了 Janus GaN-Cl 结构的独特优势，并展示了梯度带隙工程的可行性。这些成果为 GaN 基器件的设计确立了新的原则，尤其是在红外检测和可调光电子应用领域。Janus GaN-Cl 结构因其独特的光学和电学性能组合，成为多光谱传感技术发展的重要突破点。该研究不仅填补了相关领域的研究空白，还为二维材料在纳米电子学、光电子学等先进技术领域的应用开辟了新的途径，推动了相关学科和产业的发展。
