基于二维过渡金属硫族化合物（Transition Metal Dichalcogenides, TMDs）掺杂的带隙工程在新型纳米光电子器件的设计和开发及其在光电催化中的应用方面显示出巨大的潜力。然而有两大关键问题需要考虑，即单原子掺杂诱导的杂质能级会成为光生载流子的复合中心，从而降低光催化效率。另一方面，二维TMDs的载流子迁移率偏低，会影响器件的工作速度。了解这种体系中杂原子的掺杂机理并合理设计相应的晶体结构对于解决上述问题至关重要。 近日，福建农林大学林智超和大连交通大学管仁国教授课题组合作，使用密度泛函理论（Density functional theory, DFT）计算设计了具有Nb和Re双原子的共掺杂单层WS2晶体结构，并使用异质复合的思想将其与石墨烯组装成异质结构。Nb和Re双原子的N-P型价电子补偿性共掺杂保留了原始单层WS2的连续能带结构，同时兼顾了石墨烯高载流子迁移率的特征，为制造高速肖特基器件和高效的水分解析氢光电催化剂提供了一种出色的多用途材料。
图1. Nb和Re原子的单掺杂和共掺杂单层WS2的结构模型以及每种结构的形成能计算结果 通过价电子补偿机制，Nb和Re双原子掺杂的单层WS2中，禁带区间并未引入杂质能级。 图2.单层和异质结体系的能带结构 通过施加外部电场和应变，实现异质结肖特基接触类型的动态切换。 图3. (Nb-Re)-WS2/G的肖特基势垒高度（SBH）随电场和层间耦合的变化 异质结两层材料间的内建电场促进了光生载流子的有效分离，有望作为光催化分解水析氢的潜力材料。 图4. 异质结体系的能带排列和差分电荷密度 综上所述，这项工作为二维TMDs的掺杂机制提供了见解，用于该类材料面向光电催化分解水析氢及高速纳米光电器件的制造，从而促进TMDs在光电子领域应用的进一步发展。 论文信息 N-P Type Charge Compensatory Synergistic Effect for Schottky and Efficient Photoelectrocatalysis Applications: Doping Mechanism in (Nb/Re)@WS2/Graphene Heterojunctions Zhonghao Zhou, Wei Qi, Zhi Li, Li Yang, Zhichao Lin, Renguo Guan Chemistry – A European Journal DOI: 10.1002/chem.202403963
