近日，内蒙古工业大学侯清玉教授科研团队在单层AlN掺杂体系光催化性能研究中取得新进展，相关研究成果“点缺陷(Hi-VAl)对单层AlN:Be/Mg/Ca磁性和光催化性能影响的第一原理研究”[First-principles study of the effect of point defects (Hi-VAl) on the magnetic and photocatalytic properties of monolayer AlN: Be/Mg/Ca]，发表于国际期刊《应用表面科学》(Applied Surface Science)。科研团队研究发现，单层Al34HiBeN36更适合用作光催化剂。
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2004年，诺沃肖洛夫(Novoselov)和海姆(Geim)首次成功制备出了具有优异物理性质的单层石墨烯。受石墨烯的启发，一些类石墨烯的二维材料，如MoS2、III-N族材料(BN、GaN、AlN)相继在实验中被成功合成。III-N族半导体材料均具有特殊的光电性质，在各个方面均有出色的应用价值，如电子器件和光学探测器，甚至是作为分解水的光催化剂。其中单层AlN由于原料丰富、易合成、稳定性高、易改性等特点，引起了许多研究者的关注。
在现有的研究报道中，关于点缺陷对单层AlN掺杂体系磁光性质的影响均忽略了Hi的存在。其次，单层AlN本身也存在VAl，单独的VAl形成能较高，容易和杂质H形成缺陷复合体。分别掺入Be/Mg/Ca元素后，由于d0 铁磁性的掺杂原子是非磁性的，体系产生磁性是本征的，因而没有第二磁性相存在。且二维材料与三维块体材料相比，表面积相对更大、载流子的迁移距离相对更短、迁移率相对大，电子-空穴不易复合，可以提高空位活性，促进光催化过程中载流子分离，因而更具研究价值。
模型 (a) AlN 原胞；(b) 单层 AlN 原胞；(c) 单层 AlN 超胞；(d) 单层 Al35HiN36 和 Al34HiMN36 (M = Be, Mg, Ca)。图中1、2、3表示M(Be、Mg、Ca)和VAl的相对位置
科研团队通过第一性原理计算方法，系统研究了点缺陷(Hi-VAl)对单层AlN:Be/Mg/Ca体系磁性和光催化性能的影响，从态密度和能带的计算表明，所有含杂质体系均为直接带隙半导体。同时发现，单层Al34HiBeN36体系满足杂质能级与费米能级重合或在其附近有利于陷阱作用，电子与空穴不易复合，载流子寿命相对最长。
所有体系带边位置图
科研人员计算了所有体系的有效质量比值以及电偶极矩，结果表明，单层Al34HiBeN36的空穴和电子最不易复合，载流子寿命相对最长、活性最好。通过带边位置计算表明，与单层AlN相比，单层Al34HiBeN36(0 0 1)表面的还原性和氧化性最强，带边位置变化较大，说明有效改善了单层AlN的氧化性和还原性。这对分解水制氧和制氢均有利。此研究对设计和制备新型单层AlN掺杂体系光催化剂有一定的理论参考价值，且对半导体物理或材料物理和表面学科的发展提供了一定的理论支撑。
论文链接：https://doi.org/10.1016/j.apsusc.2022.154506
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