摘要
摘要
在全球环境污染和能源短缺的压力下，氢能作为一种无污染的可再生能源
逐渐成为替代传统化石燃料的清洁能源之一。而二维半导体材料由于其独特的
层状结构和优异的光电性能在光催化电解水制氢领域具有巨大的应用前景。
但是，由于单层二维体系的光激发热载流子容易发生电子-空穴对复合，
且二维体系容易受到带边位置和禁带宽度的制约，二维半导体材料的光催化性
能仍然有较大的改进空间。因此，将单层材料构建成全新二维半导体光催化剂
是提高二维半导体材料光解水效率的关键所在。在本研究中，我们构建了4个
新的ZnX(X=S,Se)/AlN异质结光催化剂，分别为ZnS/AlN(0°)、ZnS/AlN
(45°)、ZnSe/AlN(0°)和ZnSe/AlN(45°)，并基于密度泛函理论，系统研究了
ZnX(X=S,Se)/AlN异质结光催化剂的光电性质和光激发热载流子动力学性质，
探究了界面扭转对ZnX(X=S,Se)/AlN异质结光催化剂光电性质的影响以及对
光激发热载流子的动力学调控，为提高二维材料在光催化电解水效率提供了新
的思路。
在本文的研究过程中，基于高精度HSE06杂化泛函计算了t-ZnS、t-ZnSe
与h-AlN单层材料的带隙及带边位置分布，结果表明他们所构建成ZnS/AlN
(0°)、ZnS/AlN(45°)、ZnSe/AlN(0°)和ZnSe/AlN(45°)异质结后，光激发电
子均会向t-ZnS或t-ZnSe层转移而空穴均向h-AlN层转移，从而实现光激发电
子与空穴的分离，进而提高光解水的效率。理论模拟研究还发现4个ZnX
(X=S,Se)/AlN异质结光催化剂在光电性质和光生载流子动力学行为存在一定
的相似性和差异性：其中ZnS/AlN(0°)与ZnS/AlN(45°)的CBM均主要由t-
ZnS层中的S原子提供，界面扭转没有产生显著影响，而ZnSe/AlN(0°)和
ZnSe/AlN(45°)的CBM分别由t-ZnSe层中的Zn原子和Se原子提供，界面扭
转对此产生了显著的影响，相应的影响还同时体现在禁带宽度和吸光性能上，
这为改进ZnX(X=S,Se)/AlN异质结光催化剂的光催化性能提供切实可行的方
案。
在激发态的ZnX(X=S,Se)/AlN异质结光催化剂中，热空穴的弛豫速度远
快于热电子的弛豫速度。ZnS/AlN(0°)与ZnS/AlN(45°)的热载流子动力学行
为表现出极大相似性，而ZnSe/AlN(0°)的热电子与热空穴的弛豫速率均远慢
于ZnSe/AlN(45°)热电子与热空穴的弛豫速率，表现出巨大的差异性，这意味
着通过界面的扭转可以对ZnSe/AlN异质结光催化的载流子的动力学行为进行
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摘要
调控。在不同温度下对光生载流子的研究表明，环境温度同样对异质结光催化
的光电性能有显著的影响，载流子的跃迁概率会随着环境温度的升高而显著提
升，这是因为高温提升了电子态间非绝热耦合强度。最后通过在400K的高温
环境下对ZnX(X=S,Se)/AlN进行长时间的从头算分子动力学模拟，结果表明
ZnX(X=S,Se)/AlN异质结具有较强的热稳定性，通过环境温度调控ZnSe/AlN
异质结光催化剂的载流子的动力学亦有切实的可行性。
关键词：二维材料；光催化剂；光电性质；光生载流子动力学
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