杂原子掺杂GaSe单层膜的电子结构调控及光催化应用研究：基于HSE混合泛函的深入探索

本综述采用Heyd-Scuseria-Ernzerhof（HSE）混合泛函方法，系统研究了15种金属/非金属掺杂剂（Sc、Ti、V等）对GaSe单层膜结构稳定性、电子结构、磁性、光学及光催化性能的调控作用。研究发现V掺杂体系在可见光下具备优异的水分解和CO2还原能力，为清洁燃料生产提供了新型二维材料解决方案。

　　

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Computational details

所有计算采用投影缀加波（PAW）赝势结合PBE泛函进行结构优化，并使用HSE混合泛函精确描述电子结构。由于超胞尺寸较大且HSE计算成本高，光学性质通过SIESTA代码计算。为确保结果可靠性，我们设置了15 ?真空层并采用4×3超胞模型，动能截断设为500 eV，力收敛标准为0.01 eV/?。

Structural, stability, and magnetic properties of doped GaSe monolayers

图1(a)展示PBE泛函优化的原始GaSe单层膜，其4×3超胞晶格常数为15.33 ?和11.50 ?。Ga-Se键长（2.50 ?）、Ga-Ga键长（2.47 ?）和层高度（4.83 ?）与已有研究高度吻合。在Ga位点进行2%浓度金属掺杂（图1(b)）后，M-Ga/Se键长随掺杂原子半径增大而增加。多数掺杂体系呈现放热缺陷形成能，表明热力学稳定性。磁性分析显示Ti、V、Cr、Mn、Fe、Ni、Co及Zn掺杂可形成稀磁半导体，而Sc、Cu、As、In、Sb掺杂仍保持半导体特性。

Electronic structures

原始GaSe单层膜带隙为3.50 eV，价带-1.0 eV至-3.8 eV区间主要由Se态主导，导带则以Ga态为主（图1(c)）。掺杂后电子结构发生显著变化：As和Sb掺杂使带隙缩小至2.1 eV，Ge和Sn掺杂体系展现出自旋电子学应用潜力。值得注意的是，部分掺杂产生的中间带隙态虽增强可见光吸收，但可能不利于光催化应用。

Optical properties and clean fuel production

材料光学性质解读依赖于态密度（DOS）分析。通过校正真空层厚度和单层膜厚度后计算的介电函数表明（图5(a)/(b)），V、As、Sb掺杂体系在带隙小于3.0 eV且无中间带隙态的条件下，可见光区吸收显著增强。特别地，V掺杂GaSe单层膜在可见光驱动的水分解和CO₂还原反应中展现优异性能，成为清洁燃料生产的潜力材料。

Summary and conclusion

本研究通过HSE混合泛函系统揭示了掺杂GaSe纳米片的多维度特性。键长变化与掺杂原子半径呈正相关，多数体系具备热力学稳定性。电子结构调控实现了从稀磁半导体到窄带隙半导体的多样化特性，其中V掺杂体系在光催化领域最具应用前景。该工作为二维材料在能源转换领域的定向设计提供了理论依据。