金属掺杂GaSe单层材料的光催化与自旋电子学性能调控：从能带工程到清洁燃料生产新策略

本文系统研究了15种金属/非金属元素在GaSe单层中的掺杂效应，通过杂化泛函(HSE)计算揭示了V掺杂体系在可见光催化水分解和CO2还原方面的突出潜力，As/Sb掺杂实现带隙窄化至2.1eV，Ti/V/Cr/Mn/Fe/Ni/Co/Zn掺杂形成稀磁半导体(DMS)，为二维光催化材料和自旋电子器件设计提供了理论依据。

　　

计算细节

所有计算采用投影缀加波(PAW)赝势结合Perdew-Burke-Ernzerhof (PBE)广义梯度近似进行结构优化，并使用Heyd-Scuseria-Ernzerhof (HSE)杂化泛函精确描述电子结构。由于超胞尺寸较大和HSE计算的高成本，光学性质计算采用SIESTA代码。为确保结果可靠性，我们设置了15?真空层并测试了k点网格收敛性。

掺杂GaSe单层的结构、稳定性与磁学性质

图1(a)展示了PBE泛函优化的本征GaSe单层结构。4×3超胞的晶格常数为15.33?和11.50?，原胞晶格常数缩减至3.83?。Ga-Se键长、Ga-Ga键长和层高度分别为2.50?、2.47?和4.83?，与已发表结果高度吻合。阳离子掺杂的GaSe（图1(b)）具有2%的M掺杂浓度...

电子结构

我们首先讨论本征GaSe单层的电子结构。态密度(DOS)和分波态密度(PDOS)显示带隙为3.50eV。Se态主导价带中-1.0eV至-3.8eV范围，而Ga态和Se态在其他能级贡献相当。导带中Ga态占主导，Se态有显著贡献（图1(c)）。带隙和DOS/PDOS结果与既往研究一致。

光学性质与清洁燃料生产

材料光学性质的阐释取决于其态密度(DOS)。ε₁和ε₂的计算通过考虑单层与z轴镜像间距（真空长度）及单层厚度进行校正。图5(a)/(b)展示了带隙小于3.0eV且电子结构中无中间隙态的本征GaSe以及V、As、Sb掺杂GaSe单层的介电函数。