应变调控AlSe/SiH二维异质结构的光电性能优化及其在太阳能驱动水分解制氢中的应用研究

【编辑推荐】研究人员通过密度泛函理论(DFT)系统研究了AlSe/SiH范德华(vdW)异质结构的应变调控特性，发现该结构具有II型能带排列(1.82 eV/HSE06)和超高载流子迁移率(y方向达16345 cm2/V·s)，在-6%双轴应变下带隙线性减小，紫外区吸收系数达1.76×105 cm-1，导带最小值(-4.14 eV)和价带最大值(-5.96 eV)完全满足水分解氧化还原电位，为太阳能制氢提供了新型高效光催化剂设计策略。

　　

随着全球能源转型的迫切需求，太阳能驱动的水分解制氢技术被视为解决化石能源污染的关键路径。自1972年Fujishima和本田发现TiO₂光催化效应以来，二维(2D)材料因其超大比表面积和可调控的电子结构成为研究热点。然而，现有材料普遍面临带隙过大（如SiH单层2.95 eV）、载流子复合快、可见光吸收弱等瓶颈。针对这一挑战，研究人员通过密度泛函理论(DFT)系统探索了AlSe/SiH范德华(vdW)异质结构的应变响应特性与光催化机制。

研究团队采用CASTEP软件包，结合广义梯度近似(PBE)和杂化泛函(HSE06)方法，构建4×4×1超胞模型并设置20 ?真空层。通过声子谱分析和从头算分子动力学(AIMD)模拟验证结构稳定性，利用形变势理论计算载流子迁移率，系统考察了双轴应变(-6%至+6%)对异质结构光电性能的影响。

几何与电子特性
AlSe(3.768 ?)与SiH(3.892 ?)单层晶格失配仅3.3%，形成稳定的AA堆垛结构。HSE06计算显示该异质结构呈现II型能带排列（间接带隙1.82 eV），使光生电子-空穴对空间分离。特别值得注意的是，y方向电子和空穴迁移率分别高达16345 cm²/V·s和26466 cm²/V·s，远超多数二维材料。

应变调控效应
双轴应变可线性调节带隙：压缩应变(-6%)使带隙降至1.10 eV(PBE)，拉伸应变(+6%)则增至2.35 eV。这种"应变工程"特性为精准调控光响应范围提供了新途径。

光学与催化性能
吸收光谱在紫外区(7.96 eV)出现1.76×10⁵ cm^-1的强吸收峰，可见光区吸收强度显著高于单组分材料。导带底(-4.14 eV)高于H⁺/H₂还原电位(-4.44 eV)，价带顶(-5.96 eV)低于H₂O/O₂氧化电位(-5.67 eV)，完全满足全解水热力学要求。

该研究通过理论计算揭示了AlSe/SiH异质结构在应变调控下的独特光电响应机制，其超高载流子迁移率和可调带隙特性突破了传统光催化材料的性能限制，为设计高效太阳能-氢能转换器件提供了重要理论依据。相关成果发表于《Surfaces and Interfaces》期刊，对推动清洁能源技术的发展具有重要指导意义。