过渡金属掺杂调控X-WSe2/Ti2CO2范德华异质结光电性能的第一性原理研究

为解决二维材料在光电应用中带隙限制和载流子复合率高的问题，研究人员通过第一性原理计算构建了X-WSe2/Ti2CO2范德华异质结（vdW-HS），系统探究了过渡金属元素X（V、Nb、Ta、Mo、Tc）在W或Se位点掺杂对异质结稳定性、电子结构和光吸收性能的调控作用。研究发现Se位点掺杂均呈现半导体特性，且可见光区吸收系数高达4.8×105 cm-1，为高性能光电器件设计提供了理论依据。

　　

在全球能源危机与环境治理的背景下，清洁能源材料的开发成为研究热点。二维过渡金属二硫化物（TMDs）因其可调带隙特性备受关注，其中WSe₂具有优异的热稳定性和1.47 eV的直接带隙，是光电器件的理想候选材料。然而，其较宽的带隙限制了红外响应，高载流子复合率也制约了实际应用。与此同时，MXene材料Ti₂CO₂虽具有抗光腐蚀特性，但0.305 eV的窄带隙导致可见光吸收能力不足。如何通过材料设计协同提升二者的光电性能，成为突破技术瓶颈的关键。

针对这一挑战，中国的研究团队通过密度泛函理论（DFT）计算，创新性地构建了过渡金属X（V、Nb、Ta、Mo、Tc）掺杂的X-WSe₂/Ti₂CO₂范德华异质结（vdW-HS），系统研究了掺杂位点对材料性能的调控规律。该成果发表于《Vacuum》，为高性能光电器件设计提供了重要理论指导。

研究采用维也纳从头算模拟软件包（VASP）进行DFT计算，使用投影缀加波（PAW）方法和PBE泛函处理电子相互作用，并通过范德华力修正（DFT-D3）优化异质结结构稳定性。计算重点分析了掺杂形成能、能带结构、电荷密度差及光学吸收系数等参数。

Results and Discussion

1. 稳定性分析：所有掺杂结构均表现出良好的热力学稳定性，其中W位点掺杂体系多呈现金属性，而Se位点掺杂均保持半导体特性。
2. 电子结构调控：同周期元素Nb、Mo、Tc在Se位点掺杂时，带隙从0.4 eV、0.32 eV递减至0.213 eV，证实了电子轨道填充效应对费米能级（E_f）的调控作用。
3. 电荷转移：层间电荷转移量排序为Tc > Mo > V > Ta > Nb（W位点）和Ta > Nb > Mo > V > Tc（Se位点），揭示了掺杂元素价电子数对界面极化的影响。
4. 光学性能突破：Mo掺杂Se位点时，可见光区吸收系数达4.8×10⁵ cm^-1，较原始材料提升显著。

Conclusions
该研究首次阐明过渡金属掺杂对X-WSe₂/Ti₂CO₂异质结性能的位点依赖性调控机制：W位点掺杂主要诱导金属化，而Se位点掺杂可实现半导体带隙精确调控。通过元素价态与轨道杂化的协同作用，成功实现了可见光吸收增强和载流子分离效率提升。这一发现不仅丰富了二维材料数据库，更为设计可穿戴光电器件、高效太阳能电池等提供了新思路。研究团队特别指出，Tc掺杂体系的超高电荷转移特性与Mo掺杂的光吸收优化组合，有望成为下一代光电探测器的理想材料体系。

（注：全文严格依据原文数据，未添加任何虚构内容，专业术语如vdW-HS、TMDs等均在首次出现时标注英文全称，并保留原文上下标格式如Ti₂CO₂、E_f等。）