缺陷诱导的二维材料面内异质结生长的理论研究

Heterojunction based on two-dimensional (2D) semiconductor materials has broad applications in the field of optoelectronic devices due to its unique electronic properties. However, controllable synthesis of heterojunction based on two-dimensional materials is the key to its application. This project will be based on first-principles calculations and molecular dynamics simulations to investigate the microscopic mechanism of defect-induced in-plane heterojunction in 2D materials and explore the effect of defects and strain on it. Additionally，on the basis of clarifying the microscopic mechanism, a new strategy of preparing heteroepitaxial heterojunctions is proposed, which makes it possible to design complex heterostructures or superlattice materials with excellent properties.

二维半导体材料面内异质结在光电子器件领域具有广阔的应用前景，但其生长机理与结构控制是实现其应用的基础和关键。本项目将基于第一性原理计算和分子动力学模拟方法，研究二维材料中缺陷诱导面内异质结生长的微观机理，揭示缺陷的种类、应力等因素对异质结形貌的影响，从而为实验提供理论依据和指导。在明确微观机理的基础上，提出制备三元或者多元面内异质结构的新策略，为设计具有优异性能的复杂异质结构或者超晶格材料提供了可能。

二维材料因其奇异的电子、光学、热学和机械性能，在能源、催化等领域表现出广阔的应用前景。在本项目的支持下，我们关注了氢能源的转化问题以及二维材料或器件中热输运的相关问题。氢能源作为低碳能源，在清洁能源领域扮演着非常重要的角色。电催化制氢和光催化制氢是目前获得氢能源的重要手段。如何实现高效制氢，选择合适的催化剂材料是关键之一。理论结合实验我们研究了离子型掺杂或非金属元素原子共掺杂对金属磷化物或金属硒化物电催化制氢性能的影响，分析了掺杂行为对催化剂材料结构和电子结构的影响，给出优化电催化制氢效率的关键因素和物理原因。基于第一性原理计算，理论设计和预测了一种新型二维非金属纳米薄膜用于可见光范围光催化制氢。从原子层面分析制氢过程中可能涉及的反应机理，为寻找用于全光解水的低维纳米材料提供一些思路和支持。二维材料热输运是近年来能源领域的另一个研究热点，对于热输运的调控在热电转换、热学器件、电子制冷等方面都具有重要意义。基于理论模拟，我们研究了应变工程对ⅡA-Ⅵ族类石墨烯二维材料热输运性能的影响，揭示了应变条件下热导率提高的物理机制。基于修订的洛伦兹气体模型，我们尝试着利用具有温度依赖特性的界面热阻来构造高性能的热调控器件。这种利用界面热阻制成的热器件可以为热管理、热调控提供新的可能。