GaN和ZnO半导体及其合金表面与水分子的相互作用研究

GaN和ZnO是重要的宽禁带半导体材料，近年来有研究表明由它们组成的合金(GaN)x(ZnO)1-x的带隙宽度可以降到2.4-2.7eV，是一种高效的可见光段光解水制氢催化剂，开创了GaN和ZnO半导体材料一个新的应用领域。本项目计划通过第一性原理计算系统研究水分子与GaN、ZnO及其合金表面的相互作用。探索不同环境下的稳定吸附构型，揭示它们的相互作用机理。项目的完成能够促进对（GaN）x（ZnO）1-x催化机理的理解，提出进一步提高催化效率的可行性建议；同时，也能够搞清楚水分子对GaN和ZnO晶体生长的影响以及表面吸附水分子后对光电性能的影响。.本项目组长期以来从事宽禁带半导体材料光学性质、纳米结构、及表面性质的研究，对GaN和ZnO的性质有深入了解，为本项目的开展奠定了良好的前期基础。

系统研究了不同覆盖度下水分子与GaN及ZnO各低指数面的相互作用。在非极性面，低覆盖度下为分子吸附，高覆盖度（1ML）下由于为动态半解离吸附。在（0001）极性面，低覆盖度下为解理吸附，高覆盖度下为（2x1）分子吸附。由于价电子数和离子性强弱的不同，水分子在GaN表面比在ZnO表面更容易分解，而且吸附能（无论是分子吸附还是解离吸附）也比在ZnO表面的大。通过能量及电子结构对吸附机理进行了深入分析，发现分子吸附时水分子与表面之间的共价键以及水分子之间的氢键相互作用具有同等重要的地位，解离吸附情况下除了局域的共价键以外，OH（或O）形成的负电荷中心与表面阳离子间存在很强的静电相互作用。这些结论对于理解光催化机理和优化催化效率具有重要参考价值。