基于g-C 3 N 4 的二维异质结构的设计及光电性质研究
发布时间：2021-06-14 12:12
二维（2D）材料因为具有层状晶体结构、极端量子限制效应和独特物理化学性质,受到科研工作者的广泛关注。目前,已经探索出二维材料在光催化、光储能、自旋电子学等领域的应用。g-C3N4、第Ⅲ主族硫属化合物以及石墨烯（graphene）都是典型的二维材料,本论文利用第一性原理,以g-C3N4现有的研究背景为基础,构造相关二维材料异质结,探索材料的电子输运、光学响应和光催化性质。本文利用不同KNbO3表面与g-C3N4构造异质结并分析复合材料的能带结构和电子转移过程,复合后材料的光吸收出现明显红移,吸收带边向可见光区域移动,其中KNbO3的KO表面与g-C3N4构成的KO/g-CN异质结是明显的Ⅱ型异质结,使得光生的电子和空穴有效分离,并且系统地对文献报道的实验结果和KNbO3/g-C3N4复合材料的光催化过程做出...
【文章来源】：哈尔滨工业大学黑龙江省 211工程院校 985工程院校
【文章页数】：59 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
（a）g-C3N4的三嗪（t-g-C3N4）和（b）三-s-均三嗪（h-g-C3N4）结构图中蓝色、灰色的球分别代表N原子和C原子，且黑色框线内为单胞
哈尔滨工业大学理学硕士学位论文-10-模型进行光学和电学分析，阐明其光催化的具体过程。最后，讨论外加电场和应力对材料性质的影响。2.2KNbO3/g-C3N4模型的建立图2-1优化后的（a）t-g-C3N4结构和6种KNbO3/g-C3N4模型俯视图，记为（b）1-K，（c）2-K，（d）1-O，（e）2-O，（f）1-NbO，（g）2-NbO其中，紫色、浅蓝色和红色原子分别代表K原子、Nb原子和O原子根据阅读文献和已有的建模经验，对KNbO3/g-C3N4进行模型搭建。本文选用的KNbO3为立方相，空间点群为Pm-3m，晶格常数为a=b=c=4.000，α=β=γ=90°。为了实现晶格匹配，选择的g-C3N4为基于s-三嗪的六方结构[38]，即t-g-C3N4，如图4-1（a），晶格常数为a=b=4.742，c=6.720，与实验值a=b=4.774[2]基本一致。由于KNbO3（100）表面可以分成NbO2端面或KO端面，因此必须考虑不同KNbO3表面对纳米复合材料性质的影响。其中KNbO3表面共计5层原子，底部两层原子固定，将32的单层g-C3N4分别与22的KNbO3(100)表面（NbO2表面和KO表面）复合，初始层间距离为3.12，与BPQD/GCN[39]、CeO2/g-C3N4[40]等模型类似，再沿z方向添加15的真空层来避免不同材料的相邻层间相互作用。在不同位置上建立了六个不同的KNbO3/g-C3N4模型，模型结构如图2-1(b)-(f)所示，蓝色、灰色、紫色、青色和红色球分辨表示N、C、K、Nb和O原子。优化过程中采用GGA-WC交换密度泛函，使用的赝势是超软赝势，平面波截断能为500eV，布里渊区采用4×4×1大小的k点网络，能量和力分别满足的收敛标准为1.0×10-6eV和0.04eV/。在异质结体系中，可以用形成能反映复合材料的复合难易程度以及复合后的稳定程度。形成能可定义为复合材料总能与完美体系总能之差，形成能的值
哈尔滨工业大学理学硕士学位论文-13-原子附近，C原子和O原子均表现为只得电子；NbO2/g-CN模型中电荷转移范围较广，N原子既得到来自Nb原子和O原子的电子，同时又失电子，而Nb原子只失电子，并且失去的电子向O原子转移，与KO/g-CN不同，这里的氧原子同时得电子与失电子，但得到的电子比失去的电子多得多，C原子依旧表现为只得电子，这与文献[45]中g-C3N4性质完全吻合，充分证明所搭建模型的真实性和可信性。图2-3（a）KO/g-CN和（b）NbO2/g-CN的三维（3D）差分电荷密度黄色和绿色区域表示电荷耗尽和累积，等值分别为0.001和0.15eV·-3作为半导体光催化剂，其电子结构是决定其光催化活性的关键因素。为了研究KNbO3/g-C3N4异质结的光催化性能，g-C3N4单层、两种KNbO3表面、NbO2/g-CN和KO/g-CN复合材料在可见光区的吸收光谱如图2-4（a）所示。通过图2-4中计算结果，可以发现，g-C3N4单层与KNbO3表面复合之后，无论是在光吸收范围还是光吸收强度上，复合材料都表现出更优良的性能。在300nm处，两种复合材料光吸收明显减小，其中KO/g-CN复合材料的光吸收更是接近于0。两种复合材料均在500nm附近达到峰值，NbO2/g-CN的吸收峰值几乎是KO/g-CN的两倍。考虑到晶体结构的各向异性，又在（100）、（010）和（001）三个极化方向上分别计算KO/g-CN和NbO2/g-CN异质结构的光吸收性能，得到的吸收光谱如图2-4（b）、（c）所示。KO/g-CN和NbO2/g-CN均在（001）方向上表现出良好的光学响应，但NbO2/g-CN在（100）方向上的吸收峰值约是（001）方向的1.4倍。这一结果表明，在实验制备KNbO3/g-C3N4复合材料的过程中，可以通过调节材料极化方向的方法达到调节复合异质结光吸收能力的目的。总的来说，KNbO3可以有效扩大g-C3N4在可见光区域的吸?
本文编号：3229805
【文章来源】：哈尔滨工业大学黑龙江省 211工程院校 985工程院校
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【学位级别】：硕士
【部分图文】：
（a）g-C3N4的三嗪（t-g-C3N4）和（b）三-s-均三嗪（h-g-C3N4）结构图中蓝色、灰色的球分别代表N原子和C原子，且黑色框线内为单胞
哈尔滨工业大学理学硕士学位论文-10-模型进行光学和电学分析，阐明其光催化的具体过程。最后，讨论外加电场和应力对材料性质的影响。2.2KNbO3/g-C3N4模型的建立图2-1优化后的（a）t-g-C3N4结构和6种KNbO3/g-C3N4模型俯视图，记为（b）1-K，（c）2-K，（d）1-O，（e）2-O，（f）1-NbO，（g）2-NbO其中，紫色、浅蓝色和红色原子分别代表K原子、Nb原子和O原子根据阅读文献和已有的建模经验，对KNbO3/g-C3N4进行模型搭建。本文选用的KNbO3为立方相，空间点群为Pm-3m，晶格常数为a=b=c=4.000，α=β=γ=90°。为了实现晶格匹配，选择的g-C3N4为基于s-三嗪的六方结构[38]，即t-g-C3N4，如图4-1（a），晶格常数为a=b=4.742，c=6.720，与实验值a=b=4.774[2]基本一致。由于KNbO3（100）表面可以分成NbO2端面或KO端面，因此必须考虑不同KNbO3表面对纳米复合材料性质的影响。其中KNbO3表面共计5层原子，底部两层原子固定，将32的单层g-C3N4分别与22的KNbO3(100)表面（NbO2表面和KO表面）复合，初始层间距离为3.12，与BPQD/GCN[39]、CeO2/g-C3N4[40]等模型类似，再沿z方向添加15的真空层来避免不同材料的相邻层间相互作用。在不同位置上建立了六个不同的KNbO3/g-C3N4模型，模型结构如图2-1(b)-(f)所示，蓝色、灰色、紫色、青色和红色球分辨表示N、C、K、Nb和O原子。优化过程中采用GGA-WC交换密度泛函，使用的赝势是超软赝势，平面波截断能为500eV，布里渊区采用4×4×1大小的k点网络，能量和力分别满足的收敛标准为1.0×10-6eV和0.04eV/。在异质结体系中，可以用形成能反映复合材料的复合难易程度以及复合后的稳定程度。形成能可定义为复合材料总能与完美体系总能之差，形成能的值
哈尔滨工业大学理学硕士学位论文-13-原子附近，C原子和O原子均表现为只得电子；NbO2/g-CN模型中电荷转移范围较广，N原子既得到来自Nb原子和O原子的电子，同时又失电子，而Nb原子只失电子，并且失去的电子向O原子转移，与KO/g-CN不同，这里的氧原子同时得电子与失电子，但得到的电子比失去的电子多得多，C原子依旧表现为只得电子，这与文献[45]中g-C3N4性质完全吻合，充分证明所搭建模型的真实性和可信性。图2-3（a）KO/g-CN和（b）NbO2/g-CN的三维（3D）差分电荷密度黄色和绿色区域表示电荷耗尽和累积，等值分别为0.001和0.15eV·-3作为半导体光催化剂，其电子结构是决定其光催化活性的关键因素。为了研究KNbO3/g-C3N4异质结的光催化性能，g-C3N4单层、两种KNbO3表面、NbO2/g-CN和KO/g-CN复合材料在可见光区的吸收光谱如图2-4（a）所示。通过图2-4中计算结果，可以发现，g-C3N4单层与KNbO3表面复合之后，无论是在光吸收范围还是光吸收强度上，复合材料都表现出更优良的性能。在300nm处，两种复合材料光吸收明显减小，其中KO/g-CN复合材料的光吸收更是接近于0。两种复合材料均在500nm附近达到峰值，NbO2/g-CN的吸收峰值几乎是KO/g-CN的两倍。考虑到晶体结构的各向异性，又在（100）、（010）和（001）三个极化方向上分别计算KO/g-CN和NbO2/g-CN异质结构的光吸收性能，得到的吸收光谱如图2-4（b）、（c）所示。KO/g-CN和NbO2/g-CN均在（001）方向上表现出良好的光学响应，但NbO2/g-CN在（100）方向上的吸收峰值约是（001）方向的1.4倍。这一结果表明，在实验制备KNbO3/g-C3N4复合材料的过程中，可以通过调节材料极化方向的方法达到调节复合异质结光吸收能力的目的。总的来说，KNbO3可以有效扩大g-C3N4在可见光区域的吸?
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