Ⅱ型范德華異質(zhì)結(jié)g-C6N6/GaTe 光催化劑的第一性原理研究

董洪陽,任山令,黃欣,楊志紅,王允輝

（1. 南京郵電大學(xué)電子與光學(xué)工程學(xué)院，江蘇南京 210023；2. 南京郵電大學(xué)理學(xué)院信息物理研究中心，江蘇 南京 210023；3. 江蘇省新能源工程技術(shù)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 南京 210023）

二十一世紀(jì)以來，能源短缺已經(jīng)成為限制經(jīng)濟(jì)發(fā)展的嚴(yán)峻問題，傳統(tǒng)化石能源的大量使用在不斷加劇著環(huán)境污染，開發(fā)和利用可再生能源迫在眉睫。其中，光催化制氫技術(shù)可利用太陽能將水分解轉(zhuǎn)化為可用的氫氣，反應(yīng)產(chǎn)物干凈無污染，引起了人們的廣泛關(guān)注［1］。自從1972 年Fujishima 發(fā)現(xiàn)在380 nm的近紫外光作用下，TiO2電極能夠使水在常溫下分解為H2和O2后，半導(dǎo)體材料就成為了潛在光催化劑的研究對(duì)象［2］。2004 年以來石墨烯樣品的成功制備［3］，使得二維半導(dǎo)體材料進(jìn)入了人們的視野。與傳統(tǒng)三維材料相比，二維材料具有較大的比表面積，有利于OH?，H+和H2O 分子吸附，同時(shí)其低維的特性可以縮短光生電子和空穴的擴(kuò)散距離，降低電子和空穴復(fù)合的可能性以及提高量子產(chǎn)生率等［4-5］。然而，二維半導(dǎo)體材料作為光催化劑在實(shí)際應(yīng)用中依然存在很多問題，比如光吸收范圍的局限性、氧化還原能力不足等，都限制了二維半導(dǎo)體材料的光催化性能［6］。人們也提出了多種策略來提高二維材料光催化效率，例如摻雜［7］、吸附［8］、缺陷［9］及建立范德華異質(zhì)結(jié)［10］等。

范德華異質(zhì)結(jié)是通過范德華力將單層二維材料結(jié)合起來，不僅表現(xiàn)出豐富的界面性質(zhì)，而且可以優(yōu)化改善原始二維材料的電子結(jié)構(gòu)、光吸收，甚至熱傳導(dǎo)性能。一般來說，異質(zhì)結(jié)可以分為Ⅰ型異質(zhì)結(jié)和Ⅱ異質(zhì)結(jié)。Ⅰ型異質(zhì)結(jié)的導(dǎo)帶底和價(jià)帶頂都來源于同一個(gè)材料，在光照下光生電子和空穴都流向同一個(gè)單層材料，對(duì)光生載流子的分離不會(huì)起到改善作用；Ⅱ型異質(zhì)結(jié)的導(dǎo)帶底和價(jià)帶頂來源于不同材料，也就是說將形成交錯(cuò)的能帶結(jié)構(gòu)，可以有效分離光生載流子，使得氧化和還原反應(yīng)在不同的單層材料中進(jìn)行，并且能帶偏移可以驅(qū)動(dòng)電子和空穴在不同的通道中進(jìn)行轉(zhuǎn)移，對(duì)于降低載流子復(fù)合、延長載流子壽命都有改善作用。因此，與I 型異質(zhì)結(jié)相比，Ⅱ型異質(zhì)結(jié)在光催化領(lǐng)域的應(yīng)用具有明顯優(yōu)勢(shì)。目前，理論研究者們利用第一性原理方法對(duì)Ⅱ型異質(zhì)結(jié)進(jìn)行了諸多材料探索，例如BP/BSe［11］，PtS2/As［12］和C2N/WS2［13］等，理論預(yù)測(cè)這些范德華異質(zhì)結(jié)的光催化性能優(yōu)于其單層材料，在可見光區(qū)的光吸收能力明顯增強(qiáng)。

本研 究 選 擇 二 維 材料g-C6N6［14］和GaTe［15］來 構(gòu)建范德華異質(zhì)結(jié)。g-C6N6是具有直接帶隙的半導(dǎo)體二維材料，表現(xiàn)出優(yōu)異的熱力學(xué)和動(dòng)力學(xué)穩(wěn)定性，然而g-C6N6的帶隙較寬，使得其對(duì)可見光的光吸收不敏感而對(duì)紫外光更敏感。另外，其他研究也表明通過構(gòu)建基于g-C6N6的異質(zhì)結(jié)可以提高光催化性能［16-17］。GaTe 是層狀半導(dǎo)體材料，具有獨(dú)特的物理和化學(xué)性質(zhì)，例如其彈性模量明顯小于GaSe 和MoS2等二維材料，表明更容易被拉伸，因此可以通過施加應(yīng)變來改變其電子結(jié)構(gòu)性質(zhì)。GaTe 單層膜可以通過化學(xué)沉積方法制備得到，其表現(xiàn)出良好的穩(wěn)定性，有利于實(shí)際應(yīng)用［18］。

基于第一性原理方法，系統(tǒng)研究了二維g-C6N6/GaTe 范德華異質(zhì)結(jié)的結(jié)構(gòu)、電子和光學(xué)性質(zhì)，包括能帶結(jié)構(gòu)、態(tài)密度、電荷轉(zhuǎn)移、能帶邊緣位置的影響和光吸收系數(shù)等，同時(shí)探討了其光催化性能。最后，探索了通過外加應(yīng)變來進(jìn)一步提高異質(zhì)結(jié)的光吸收性能，進(jìn)而達(dá)到提高光催化性能的目的。

1 計(jì)算方法

第一性原理計(jì)算采用的是基于密度泛函理論（DFT）的VASP 軟件包［19］，電子和離子之間的相互作用采用的是投影綴加波（PAW）方法展開，交換關(guān)聯(lián)勢(shì)采用廣義梯度近似（GGA）中的PBE 泛函進(jìn)行處理［20］。由于使用交換關(guān)聯(lián)泛函（PBE）計(jì)算電子結(jié)構(gòu)得到的帶隙一般小于實(shí)驗(yàn)值，因此為了獲得更加準(zhǔn)確的能帶結(jié)構(gòu)和光吸收譜，采用了混合25%Hartree-Fock 交換能的雜化密度泛函（HSE06）進(jìn)行計(jì)算［21］。在計(jì)算過程中，平面波的截?cái)嗄茉O(shè)定為500 eV，優(yōu)化的收斂標(biāo)準(zhǔn)是確保原子間受力小于0.02 eV???1，以及體系總能量在自洽迭代過程中小于1.0×10?5eV。使用Monkhorst-Pack 方法在布里淵區(qū)中進(jìn)行取點(diǎn)采樣，用于PBE 靜態(tài)計(jì)算的k 點(diǎn)網(wǎng)格是8×8×1，而用于HSE06 靜態(tài)計(jì)算的k 點(diǎn)網(wǎng)格是5×5×1?？紤]到異質(zhì)結(jié)的兩層之間存在范德華相互作用力，電荷密度間的波動(dòng)存在著動(dòng)態(tài)關(guān)聯(lián)，GGA 方法無法準(zhǔn)確描述，范德華校正方法（DFTD3）被用于異質(zhì)結(jié)的所有計(jì)算，這種方法被實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了其計(jì)算的準(zhǔn)確性［22］。為了避免由于周期性導(dǎo)致的相鄰層間耦合作用，沿著Z 方向設(shè)置一個(gè)大于20 ? 的真空區(qū)域。

2 結(jié)果與討論

2.1 二維g-C6N6/GaTe 范德華異質(zhì)結(jié)的晶體結(jié)構(gòu)

首先對(duì)原始單層GaTe 和g-C6N6進(jìn)行了結(jié)構(gòu)優(yōu)化并計(jì)算了能帶結(jié)構(gòu)，如圖1 所示。優(yōu)化后的單層GaTe 的晶格常數(shù)為4.14 ?，采用PBE 及HSE06 計(jì)算得到的帶隙分別為1.43 和2.10 eV，可以看到其導(dǎo)帶底在高對(duì)稱點(diǎn)M 處，而價(jià)帶頂在Γ 點(diǎn)附近，表明單層GaTe 是間接帶隙半導(dǎo)體；優(yōu)化后的單層g-C6N6的 晶 格 常數(shù) 為7.12 ?，采用PBE 和HSE06 計(jì)算得到的帶隙分別為1.54 和3.18 eV，其導(dǎo)帶底和價(jià)帶頂均在高對(duì)稱點(diǎn)K 處，表明單層g-C6N6是直接帶隙半導(dǎo)體。計(jì)算結(jié)果與文獻(xiàn)［23-24］研究結(jié)果相一致。

圖1 單層GaTe 和單層g-C6N6晶體結(jié)構(gòu)的俯視圖和側(cè)視圖及相應(yīng)的能帶結(jié)構(gòu)圖Figure 1 Top and side views of monolayer GaTe and monolayer g-C6N6 crystal structures and corresponding band structures

根據(jù)以上單層材料的計(jì)算，構(gòu)建了二維g-C6N6/GaTe 范德華異質(zhì)結(jié)。由于單層GaTe 和g-C6N6晶格參數(shù)差別較大，考慮到晶格匹配問題，采用了的GaTe 超胞和1×1 的g-C6N6原胞進(jìn)行異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)搭建，此時(shí)該異質(zhì)結(jié)的晶格失配率僅為0.6%，遠(yuǎn)小于5%，具備較高的實(shí)驗(yàn)制備可行性。從對(duì)稱性出發(fā)構(gòu)建了三種不同的g-C6N6/GaTe 異質(zhì)結(jié)構(gòu)，分別為旋轉(zhuǎn)角度0、60 和120 °的異質(zhì)結(jié)構(gòu)（圖2）。

圖2 g-C6N6/GaTe 異質(zhì)結(jié)三種堆垛方式的俯視圖和側(cè)視圖Figure 2 Top and side views of three stacking meth?ods of g-C6N6/GaTe heterojunctions

為了在以上3 種可能的結(jié)構(gòu)中確定最穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)，通 過 公 式計(jì)算 了 異 質(zhì) 結(jié) 的 形 成 能，其 中EGaTe，Eg?C6N6及E(g?C6N6/GaTe)分 別 表 示 單 層GaTe，g-C6N6和g-C6N6/GaTe 異質(zhì)結(jié)的總能量，Ef表示異質(zhì)結(jié)的形成能。通過計(jì)算得到三種不同g-C6N6/GaTe 異質(zhì)結(jié)構(gòu)的形成能，分別為?0.471，?0.486 和?0.458，其中旋轉(zhuǎn)角度60°的結(jié)構(gòu)形成能最小，說明其最穩(wěn)定。另外，經(jīng)過優(yōu)化后旋轉(zhuǎn)角度60 °結(jié)構(gòu)的層間距為3.54 ?，表明在范德華相互作用力的有效范圍內(nèi)，兩層之間的相互作用力是典型的范德瓦相互作用力。因此，后面的所有計(jì)算均基于旋轉(zhuǎn)角度60°的異質(zhì)結(jié)構(gòu)來進(jìn)行。

2.2 二維g-C6N6/GaTe 范德華異質(zhì)結(jié)的電子結(jié)構(gòu)

采用PBE 和HSE06，計(jì)算得到g-C6N6/GaTe 異質(zhì)結(jié)的帶隙分別為0.59 和1.45 eV，小于單層GaTe和單層g-C6N6的帶隙，這是由于形成異質(zhì)結(jié)后能帶偏置導(dǎo)致的，且?guī)洞笥?.23 eV 可滿足光催化分解水的條件。圖3 為g-C6N6/GaTe 異質(zhì)結(jié)的能帶結(jié)構(gòu)。從圖3 可以看到，g-C6N6/GaTe 異質(zhì)結(jié)是間接帶隙半導(dǎo)體，其導(dǎo)帶底位于高對(duì)稱點(diǎn)K 處，價(jià)帶底位于高對(duì)稱點(diǎn)Γ 附近。同時(shí)發(fā)現(xiàn)，g-C6N6/GaTe 異質(zhì)結(jié)的導(dǎo)帶底和價(jià)帶頂分別由g-C6N6和GaTe 貢獻(xiàn)，形成了交錯(cuò)的能帶結(jié)構(gòu)，表明g-C6N6/GaTe 異質(zhì)結(jié)是Ⅱ型異質(zhì)結(jié)。而且，g-C6N6/GaTe 異質(zhì)結(jié)在導(dǎo)帶底和價(jià)帶頂?shù)纳㈥P(guān)系與g-C6N6的導(dǎo)帶底和GaTe的價(jià)帶頂幾乎一致，說明異質(zhì)結(jié)中兩層間的相互作用力是較弱的范德瓦爾斯力，并沒有形成化學(xué)鍵。通常來說，Ⅱ型異質(zhì)結(jié)構(gòu)具有良好的電荷分離能力。在光照下g-C6N6/GaTe 異質(zhì)結(jié)中躍遷到導(dǎo)帶的光生電子和留在價(jià)帶的空穴的轉(zhuǎn)移通道不同，導(dǎo)帶偏移（0.56 eV）促使光生電子向g-C6N6轉(zhuǎn)移，最后停留在g-C6N6層。相應(yīng)的，價(jià)帶偏移（1.54 eV）促使光生空穴向GaTe 轉(zhuǎn)移，最后停留在GaTe 層。經(jīng)過轉(zhuǎn)移后的光生電子和空穴將分別在g-C6N6層上參與還原反應(yīng)，在GaTe 層上參與氧化反應(yīng)。因此，在g-C6N6/GaTe 異質(zhì)結(jié)中，光生電子和空穴具有較好的空間分離特性，有助于抑制電子空穴復(fù)合，提高了光催化的能力。

圖3 g-C6N6/GaTe 異質(zhì)結(jié)的投影能帶結(jié)構(gòu)、投影態(tài)密度及異質(zhì)結(jié)導(dǎo)帶底和價(jià)帶底分解電荷密度圖Figure 3 Projected band structure，projected density of states and maps of the decomposed charge density at the conduction and valence band bottoms of the g-C6N6/GaTe hetero?junction.

圖4 g-C6N6/GaTe 異質(zhì)結(jié)的平面平均差分電荷密度和3D 差分電荷密度圖及靜電勢(shì)圖Figure 4 Planar average differential charge density and 3D differential charge density plots，and electrostatic potential maps of g-C6N6/GaTe heterojunctions

2.3 二維g-C6N6/GaTe 范德華異質(zhì)結(jié)光催化分解水性能

研究材料光催化水分解能力，首先確定材料的帶邊位置，計(jì)算公式為其中EBGC為相對(duì)真空層的帶隙中心位置，EHSE06g為HSE06 計(jì)算得到的帶隙［25］。

圖5 為單層GaTe、g-C6N6、g-C6N6/GaTe 異質(zhì)結(jié)的帶邊位置圖及g-C6N6/GaTe 異質(zhì)結(jié)的光催化機(jī)理示意圖，圖中虛線表示pH=0 時(shí)分解水的氧化電位（?5.67 eV）和還原電位（?4.44 eV）。從圖5 的單層異質(zhì)結(jié)的帶邊位置圖可以看到，g-C6N6/GaTe 異質(zhì)結(jié)的導(dǎo)帶底和價(jià)帶頂跨越分解水的氧化電位和還原電位。異質(zhì)結(jié)的氧化反應(yīng)發(fā)生在GaTe 層，帶邊位置為?5.75 eV 處，低于氧化電位（O2/H2O）；而還原反應(yīng)發(fā)生在g-C6N6層，帶邊位置為?4.30 eV 處，高于還原電位（H+/H2）。說明g-C6N6/GaTe 異質(zhì)結(jié)可以進(jìn)行氧化還原反應(yīng)，有希望用于光催化水分解。從圖5 的光催化機(jī)理示意圖可見，在光照下，當(dāng)吸收的光子能量大于等于帶隙時(shí)，異質(zhì)結(jié)內(nèi)部會(huì)產(chǎn)生光生電子空穴對(duì)，電子會(huì)從價(jià)帶頂躍遷到導(dǎo)帶底；由于內(nèi)置電場(chǎng)的存在，抑制了GaTe 價(jià)帶處的空穴和g-C6N6導(dǎo)帶處的電子的復(fù)合；同時(shí)，在能帶偏置的促使作用下，GaTe 導(dǎo)帶處的電子會(huì)遷移到g-C6N6導(dǎo)帶處，g-C6N6價(jià)帶處的空穴會(huì)遷移到GaTe 價(jià)帶處，最后電子和空穴分別在g-C6N6導(dǎo)帶和GaTe 價(jià)帶上積累，具有更高濃度，并分別參與還原反應(yīng)和氧化反應(yīng)。由于光生電子和空穴的有效分離，可以更好的參與到光催化水分解反應(yīng)中。因此，g-C6N6/GaTe異質(zhì)結(jié)是Ⅱ型光催化異質(zhì)結(jié)，可以將水分解成H2和O2。

圖5 單層異質(zhì)結(jié)的帶邊位置及g-C6N6/GaTe 異質(zhì)結(jié)的光催化機(jī)理示意圖Figure 5 Schematic diagram of the band edge positions of monolayer GaTe，monolayer g-C6N6 and g-C6N6/GaTe heterojunction，and the photo?catalytic mechanism of the g-C6N6/GaTe heterojunction

2.4 雙軸應(yīng)變對(duì)二維g-C6N6/GaTe 范德華異質(zhì)結(jié)電子結(jié)構(gòu)的影響

施加應(yīng)變是調(diào)節(jié)異質(zhì)結(jié)電子結(jié)構(gòu)的一種常用手段［26］，因此嘗試了通過改變異質(zhì)結(jié)ab 面內(nèi)晶格常數(shù)來模擬應(yīng)變效應(yīng)，以探索應(yīng)變對(duì)g-C6N6/GaTe 異質(zhì)結(jié)光催化性質(zhì)的影響。施加的應(yīng)變大小可表示為η=(as?ap)/ap，其中as和ap分別表示施加和未施加應(yīng)變的g-C6N6/GaTe 異質(zhì)結(jié)的面內(nèi)晶格常數(shù)，應(yīng)變量η 的變化范圍為?6%—6%，負(fù)值表示壓縮應(yīng)變，正值表示拉伸應(yīng)變，其結(jié)果如圖6 所示。從圖6可以看到，應(yīng)變可以有效調(diào)節(jié)g-C6N6/GaTe 異質(zhì)結(jié)的電子結(jié)構(gòu)，具體表現(xiàn)為不管是壓縮還是拉伸應(yīng)變，隨著應(yīng)變程度的增大，帶隙呈減小趨勢(shì)，變化范圍為0.74—1.47 eV。為了檢查考慮的應(yīng)變是否都在彈性極限內(nèi)，計(jì)算了每個(gè)原子的應(yīng)變能Es=(Estrained?Eunstrained)/n，其中n 為異質(zhì)結(jié)的總原子數(shù)。從圖6 還可以看到，應(yīng)變能曲線在雙軸應(yīng)變下與二次函數(shù)相似，表明施加的應(yīng)變?cè)趶椥詷O限內(nèi)，應(yīng)變是可逆的。

圖6 g-C6N6/GaTe 異質(zhì)結(jié)的帶隙和應(yīng)變能隨雙軸應(yīng)變大小的變化關(guān)系Figure 6 Band gap and strain energy of g-C6N6/GaTe heterojunction as a function of biaxial strain

圖7 為g-C6N6/GaTe 異質(zhì)結(jié)在?6%應(yīng)變下的能帶結(jié)構(gòu)圖。從圖7 可見，在?6%的壓縮應(yīng)變下，g-C6N6/GaTe 異質(zhì)結(jié)變成了直接帶隙，導(dǎo)帶底和價(jià)帶頂均在Γ 點(diǎn)，仍保持交錯(cuò)能帶結(jié)構(gòu)。直接帶隙更有利于電子直接躍遷，產(chǎn)生光生電子和空穴需要的能量減少，但是此時(shí)帶邊位置不利于進(jìn)行水的氧化還原反應(yīng)。

圖7 g-C6N6/GaTe異質(zhì)結(jié)在?6%應(yīng)變下的能帶結(jié)構(gòu)圖Figure 7 Band structure diagram of g-C6N6/GaTe heterojunction at ?6% strain

2.5 二維g-C6N6/GaTe 異質(zhì)結(jié)的光吸收和太陽能制氫轉(zhuǎn)換效率

光吸收系數(shù)是描述材料光學(xué)性能的一個(gè)重要物理量，在水分解過程中起重要作用，光吸收系數(shù)可定義為其中ε1(ω)和ε2(ω)分別是介電函數(shù)的實(shí)部和虛部，c是光的真空速度。圖8 為g-C6N6/GaTe 異質(zhì)結(jié)的光吸收譜。從圖8 可以看到：在可見光范圍內(nèi)，光吸收系數(shù)高達(dá)約7×104cm?1，表現(xiàn)出較強(qiáng)的光吸收強(qiáng)度，在紫外區(qū)的光吸收強(qiáng)度更大；另外，當(dāng)施加+2%，+4%和+6%的應(yīng)變時(shí)，光吸收譜出現(xiàn)紅移，可見光區(qū)域內(nèi)光吸收譜強(qiáng)度增強(qiáng)，并在+6%應(yīng)變下，光吸收系數(shù)超過1×105cm?1。說明通過施加應(yīng)變，可以改善g-C6N6/GaTe 異質(zhì)結(jié)的光吸收性能。

圖8 g-C6N6/GaTe 異質(zhì)結(jié)在未加應(yīng)變下及施加不同應(yīng)變下的光吸收譜Figure 8 Optical absorption spectra of g-C6N6/GaTe het?erojunction under unstrained and under different strains

為了預(yù)測(cè)g-C6N6/GaTe 異質(zhì)結(jié)的光催化性能，計(jì)算了太陽能制氫轉(zhuǎn)換效率，這是判斷利用太陽能進(jìn)行光催化水分解能力的一項(xiàng)重要指標(biāo)。假設(shè)光的催化反應(yīng)效率為100%，計(jì)算公式如下［28］。

式（1）中ηSTH表 示 光 吸 收 效 率，P(hω) 表 示 在AM1.5 的太陽能通量，?G 為水分解的勢(shì)能差1.23 eV，E 是光催化過程中可用光子的能量。

由于載流子在不同材料之間遷移會(huì)有能量損失，因此實(shí)際上用于光催化水分解的光子能量E 是在變化的。此處，還原反應(yīng)需要的動(dòng)能為0.2 eV（其中χ(H2)定義為導(dǎo)帶底和水還原電勢(shì)之間的能量差），氧化反應(yīng)需要的動(dòng)能0.6 eV（其中χ(O2)定義為價(jià)帶頂和水氧化電勢(shì)之間的能量差），所以E 由以下條件決定［28］，見式（2）。

在單層GaTe 中，χ(H2)和χ(O2)分別為0.81 和0.06 eV；在單層g-C6N6中，χ(H2)和χ( )O2分別為0.26 和1.69e V；在g-C6N6/GaTe 異質(zhì)結(jié)中，χ(H2)和χ(O2)分別為0.14 和0.08 eV。通過計(jì)算可得單層GaTe、單 層 g-C6N6及 g-C6N6/GaTe 異 質(zhì) 結(jié) 的太陽能制氫轉(zhuǎn)換 效率分別為5.66%、1.48% 和16.48%，g-C6N6/GaTe異質(zhì)結(jié)的轉(zhuǎn)換效率明顯高于單層GaTe 和單層g-C6N6的轉(zhuǎn)換效率。圖8 為不同二維單層材料的轉(zhuǎn)換效率。從圖9 可見，g-C6N6/GaTe 異質(zhì)結(jié)的轉(zhuǎn)換效率高于某些原始單層二維結(jié)構(gòu)材料，如PtS2［12］、Al2Se3［28］和Al2S2［28］等。因此，g-C6N6/GaTe 異質(zhì)結(jié)具有一定經(jīng)濟(jì)可行性，有希望用于光催化水分解。

圖9 部分二維材以及單層GaTe，單層g-C6N6 和g-C6N6/GaTe 異質(zhì)結(jié)的太陽能制氫轉(zhuǎn)換效率Figure 9 Solar hydrogen production conversion efficiencies of some 2D materials and monolayer GaTe，monolayer g-C6N6 and g-C6N6/GaTe heterojunctions

3 結(jié)論

構(gòu)建二維g-C6N6/GaTe 范德華異質(zhì)結(jié)，并通過第一性原理方法研究了其結(jié)構(gòu)、電子和光學(xué)性質(zhì)，揭示了光催化反應(yīng)機(jī)制。結(jié)果表明：g-C6N6/GaTe 異質(zhì)結(jié)是間接帶隙半導(dǎo)體，帶隙值為1.45 eV，表現(xiàn)出交錯(cuò)排列的能帶結(jié)構(gòu)，價(jià)帶和導(dǎo)帶的能帶偏置分別為0.56 和1.54 eV，說明g-C6N6/GaTe 異質(zhì)結(jié)是Ⅱ型異質(zhì)結(jié)。差分電荷圖發(fā)現(xiàn)，異質(zhì)結(jié)中形成了從g-C6N6指向GaTe 的內(nèi)置電場(chǎng). 在內(nèi)置電場(chǎng)和能帶偏置的作用下，有利于光生載流子的有效分離。通過計(jì)算光吸收系數(shù)和太陽能制氫轉(zhuǎn)換效率發(fā)現(xiàn)，g-C6N6/GaTe 異質(zhì)結(jié)在可見光區(qū)域內(nèi)的光吸收系數(shù)高達(dá)約7×104cm?1，制氫轉(zhuǎn)換效率為16.48%。另外，嘗試對(duì)異質(zhì)結(jié)施加應(yīng)變，發(fā)現(xiàn)帶隙會(huì)變小，光吸收譜出現(xiàn)紅移，進(jìn)一步改善了異質(zhì)結(jié)在可見光區(qū)域內(nèi)的光吸收能力。因此，二維g-C6N6/GaTe 范德華異質(zhì)結(jié)有望作為新型光催化劑用于水分解。