新型二维半导体材料及其异质结构中电子结构与性能保护的理论研究

The 2D materials, such as black phosphorus (BP) and indium selenide (InSe), which have a certain band gap and show promising electron transport properties, have wide application prospects in the fields of new energy, electronic devices and optoelectronic devices. However, there are many problems in the practical application of the materials, such as instability in air and poor performance of the devices (the carrier mobility is much lower than the theoretical value, for example). Therefore, the project will focus on BP and InSe, and we will perform systematic theoretical calculations on the issues including oxidation and degradation mechanisms in air, material protection and performance improvement, and heterojunction of BP-InSe. Firstly, the oxidation and degradation mechanisms of BP and InSe in ambient conditions will be analyzed thoroughly, and increase the stability of the materials by protection layers or electronic structure modulation based on corresponding mechanisms. Secondly, we will investigate the influence of various defects on the geometries and properties of the 2D materials, and improves the performance of the materials by modulation mechanism and repair procedure. Finally, we further study the interaction between the heterojunction of BP-InSe based on the stabilized materials. The semiconductor materials with long-term stability and promising properties will be designed, which provides a theoretical reference for the practical application of the new functional materials in optoelectronic devices, solar cells and so on.

黑磷与硒化铟等二维材料具有一定带隙且展现出良好的电子传输性质，在新能源、电子器件与光电子器件等方面具有广泛的应用前景。然而，此类二维材料在实际应用中存在诸多问题，例如空气中稳定性差、器件性能较差（如迁移率远低于理论值）等。因此，本项目以黑磷与硒化铟作为研究对象，针对其在空气中氧化降解机制、材料保护与性能提升及其异质结构等问题进行系统的理论研究。首先，深层次解析黑磷与硒化铟等二维材料在空气中氧化分解机制，针对不同的氧化分解机制，通过增加保护层或者对二维材料电子结构的调控增加其在空气中的稳定性。其次，探索不同缺陷对材料结构与性质的影响，通过缺陷调控机制或修补机制提升材料性能。最终，基于稳定的黑磷与硒化铟, 进一步研究其异质结构之间的相互作用。设计稳定性好同时又具有良好性质的半导体材料，进而为此类新功能材料在光电器件、太阳能电池等方面的实际应用提供理论参考。

具有原子厚度的二维材料表现出诸多不同于块体材料的优异性能和应用前景，探索此类材料在实际应用中的科学问题以及评估其在新型功能材料方面的性能是当前的热点问题。本项目首先针对黑磷、硒化铟等二维材料在空气中稳定性较差的问题进行系统理论研究，探索本征表面、表面缺陷以及边界等位点与氧气以及水的反应机制。其次，研究黑磷/硒化铟等异质结构的相互作用，分析异质结构中光电转移机制，讨论其在新型功能材料方面的潜在应用。同时，基于二维材料的反应活性，该项目扩展研究二维材料在能源催化中的应用，为基于黑磷、硒化铟等二维材料的实际应用提供理论参考。取得了若干重要创新性成果：.1）在光致氧化机制与水催化氧化机制的基础上，进一步建立了表面缺陷以及边界诱导的氧化机制。总结不同环境因素对硒化铟、硒化镓以及过渡金属硫族化合物等二维材料稳定性的影响规律，分析总结空气成分在不同条件下与二维材料的反应路径，揭示此类二维材料氧化分解根源。.2）根据二维材料氧化降解机制，针对性的提出保护策略，如表面自生长、缺陷修复等方式。深入研究二维材料表面保护机制：有机分子覆盖的保护方式不仅在一定层度上阻碍空气与黑磷表面的直接接触，同时可以吸收黑磷在光照下产生的光生电子，抑制表面超氧根的生成。.3）构建了黑磷/硒化铟等范德尔瓦斯异质结构，分析了异质结构的电子、空穴传输性能以及光吸收行为等，探索其在光电器件以及能源材料方面的潜在应用。.4）利用二维材料本征缺陷的反应活性，提出空位缺陷-单原子模型，这种空协同效应可降低包含多键活化的反应势垒，如加氢去氧、脱硫脱硝等反应。利用二维天然衬底结构，探索二维材料负载或掺杂金属单原子、异核双原子以及团簇在能源催化方面的应用。.发表标注项目基金号的SCI 论文19 篇（其中第一作者/共一作者/通讯作者论文11篇），包括J. Phys. Chem. Lett. 2 篇、Materials Today 1篇、J. Mater. Chem. A 3 篇、Small 1 篇、Small Methods 1篇、Nanoscale 3 篇。受邀撰写特邀综述2篇。.