基于密度泛函理论和机器学习揭示K2X（X=S/Se/Te）单层材料的电子结构与热电性能调控机制

本研究通过DFT计算和ML算法系统研究了K2S、K2Se、K2Te单层材料的结构振动、电子能带、光学吸收及热电特性，发现其具有2.00-2.01 eV间接带隙、104 cm-1级紫外-可见光吸收系数及优异ZT值（K2Se达0.81），为开发新型光电器件和热电材料提供了理论依据。

　　

在材料科学领域，二维层状材料因其独特的物理化学性质成为研究热点。传统过渡金属硫族化合物（TMDCs）虽已广泛应用，但碱金属硫族化合物如K₂X（X=S/Se/Te）单层材料的系统性研究仍存在空白。这类材料在体相时呈现立方结构，而降低维度后可能展现出截然不同的特性。目前，关于其电子结构调控机制、光学响应特性以及热电转换效率的定量研究尚不完善，特别是缺乏结合第一性原理计算与机器学习预测的综合性分析。

为解决这些问题，研究人员采用WIEN2k软件进行密度泛函理论（DFT）计算，结合BoltzTraP、PHONOPY等模块，系统研究了K₂S、K₂Se、K₂Te单层材料的物理性质。通过AFLOW-PLMF机器学习模型和六种回归算法（决策树、梯度提升等）验证了计算结果，相关成果发表在《Results in Engineering》上。

关键技术包括：1）基于FP-LAPW方法的DFT计算，采用PBE-GGA和YS-PBE0泛函；2）声子谱分析验证动力学稳定性；3）OPTIC代码计算光学参数（0-10 eV能量范围）；4）BoltzTraP求解玻尔兹曼输运方程；5）机器学习模型（PLMF）预测电子带隙和ZT值。

结构特性
优化后的单层结构显示空间群为P³m1（No.164），晶格常数随X原子序数增大（5.07→5.64 ?）。形成能（E_f）均为负值（-2.38至-2.77 eV/atom），证实化学稳定性。K₂S的键长最短（3.10 ?），对应最大结合能（-1.105 Ry/atom）。

振动特性
声子谱显示所有材料在Γ-M-K-Γ路径上无虚频，K₂S存在高频/低频光学支间隙（2.27 eV），表明强偶极相互作用。

电子特性
间接带隙特征显著，VBM位于K点而CBM在Γ点。PBE-GGA计算带隙为1.95-2.01 eV，YS-PBE0修正后增至2.62-2.71 eV。PDOS分析表明价带主要由X的p轨道贡献，导带源于K的s/p轨道杂化。

光学特性
静态介电常数ε₁(0)为1.66-2.01，吸收系数在UV区达峰值（K₂Se为55.85×10⁴ cm^-1）。折射率n(ω)在3.41-3.57 eV出现极大值（1.42-1.80），显示强光-物质相互作用。

热电特性
Seebeck系数在300 K时达171-212 μV/K，K₂Se的ZT值最优（300 K:0.22；1000 K:0.81）。机器学习预测显示Decision Tree模型最可靠（R²=1），验证了K₂Se在700-1000 K的热电应用潜力。

结论与意义
该研究首次全面揭示了K₂X单层材料的构效关系：1）证实其作为间接带隙半导体在紫外光电器件的应用潜力；2）阐明K₂Se的热电优值（ZT）超越同类材料（如Rb₂Se的0.62）；3）建立DFT-ML协同预测框架，为高通量材料设计提供新范式。特别是K₂Se在高温热电转换领域的突出性能，为开发无铅环保型能源材料指明了方向。