西安电子科技大学Materials Today Physics：通过引入短程有序结构诱导二维氮化碳实现强的可见光吸收带- 大数跨境

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西安电子科技大学Materials Today Physics：通过引入短程有序结构诱导二维氮化碳实现强的可见光吸收带

科学材料站

2022-03-28

导读：本文提出利用熔融盐法制备了具有短程有序结构的二维结晶氮化碳。

原子级厚度的二维材料具有非常短的光激发载流子扩散路径，可以有效降低光生电子空穴对的复合几率，提高其内部光生载流子的有效分离。因此是用于光电转换较有潜力的材料，其中原子级厚度的氮化碳作为二维非金属聚合物已被广泛用于光电转换。但是，一般来讲，原子级氮化碳的禁带宽度约为3.06 eV，仅对应太阳光谱中波长小于420 nm的光谱，无法有效利用占太阳光谱约43%的可见光。因此，如何拓展其可见光吸收范围成为改善光电转换效率的首要任务。

为了解决该挑战，科研工作者们已经进行了诸多努力，比如通过与芳香族化合物偶联或掺杂异质原子来修饰氮化碳的电子结构等。在一定程度上，这些尝试显示出它们在增加可见光吸收方面的有效性。然而，上述改性方法往往会引入带尾吸收，限制了其实际应用。

前期研究已经证实，半导体中低密度的杂质可以在导带底（CBM）或价带顶（VBM）附近产生电子局域态从而形成局域能级。相反，与带尾态相关的高密度局域态使得CBM或者VBM发生连续延伸和重叠，而不是在CBM或者VBM附近形成离散的局域能级；因此，它们通常也被称为带尾态。虽然带尾态可以扩展光吸收边，但高密度杂质形成的带尾态将会成为光生载流子的复合中心，所以无法显著提高光电转换效率。

众所周知，半导体中大量的晶格无序可以产生能量分布不同于晶体中单个缺陷的能隙态。换言之，随着带尾态密度的增加，样品变得更加无序，从而降低了它们的光电转换效率。因此，利用常规方法来构建有序的晶体结构，进而实现强可见光吸收带而不引入带尾吸收仍然是一项充满挑战性的工作。

鉴于此，西安电子科技大学王勇副教授/杨如森教授课题组提出利用熔融盐法制备了具有短程有序结构的二维结晶氮化碳。结果表明，此方法能够显著地将二维氮化碳的光吸收边从410 nm扩展到580 nm，同时没有引入带尾吸收。实验表征结合密度泛函计算的结果表明：将氰基引入到氮化碳同时打开了七嗪结构单元以及扩展的π共轭可以改变电子的能带结构。换言之，熔融盐法制备得到了具有短程有序结构的二维氮化碳。

此外，来自于静电势局部波动不断增加的内置电场可用于有效转移光生载流子。该研究工作可为其他宽禁带半导体实现强的可见光吸收带而不引入带尾态提供新的参考。

图1. 样品的原子结构以及紫外可见吸收光谱图。

图 2. 具有短程有序结构二维结晶氮化碳的形貌图。

图 3. 样品的结构模型、计算的能带结构、相应的PDOS以及导带底（CBM和CBM+1）和价带顶（VBM和VBM-1）对应的电荷密度的空间分布图。

该成果以《Realizing Strong Visible-Light Absorption Band for 2D Crystalline Carbon Nitride Sheets Induced by Extending π-Conjugation and Introducing Cyano Groups》为题发表在（Materials Today Physics, 2022, 23(100634), IF：IF:9.298）上，西安电子科技大学杨如森教授、青年教师王勇以及陕西科技大学青年教师张瑜为论文共同通讯作者。

原文链接：

https://doi.org/10.1016/j.mtphys.2022.100634