【国内论文】内蒙古工业大学：外加电场下Mo掺杂与点缺陷（Hᵢ, Vₒ）对单层β-Ga₂O₃光催化性能调控的第一性原理研究

        由内蒙古工业大学的研究团队在学术期刊 Journal of Physics and Chemistry of Solids 发布了一篇名为 First-Principles Study on the Regulation of Photocatalytic Performance in Monolayer β-Ga₂O₃ with Mo Doping and Point Defects (H_i, V_O) under an External Electric Field（外加电场下 Mo 掺杂与点缺陷（H_i, V_O）对单层 β-Ga₂O₃ 光催化性能调控的第一性原理研究）的文章。

        深紫外（DUV）光电探测器在导弹预警、安全通信、环境监测和生化检测等民用和军用领域具有广泛的应用前景。β-Ga₂O₃ 作为一种新兴的超宽禁带半导体，具有高化学/热稳定性、高击穿场强和良好的日盲吸收特性，是制备 DUV 探测器的理想材料。然而，β-Ga₂O₃ 基探测器通常需要外部偏压驱动，导致高功耗。构建 p-n 异质结是实现零偏压自供电探测的有效途径。由于 β-Ga₂O₃ 难以实现稳定的 p 型掺杂，寻找合适的 p 型宽禁带材料与其构建异质结成为研究热点。铝酸镧（LAO）是一种具有宽带隙和良好介电性能的p型氧化物材料，且与 Ga₂O₃ 晶格失配较小，是构建高性能异质结的潜力材料。

        光催化水分解制氢是解决能源与环境问题的重要途径，其关键在于开发稳定的光催化剂。本研究基于密度泛函理论框架，采用第一性原理 GGA+U 方法，探讨 Mo 掺杂及间隙氢与氧空位共存对单层 β-Ga₂O₃ 光催化性能的影响。同时探究了 0.5 V/Å 外加电场对光催化性能的调控效应。通过计算分析了可见光响应、载流子寿命、能带边缘位置、功函数及自由能等参数。结果表明，间隙氢与外加电场均能显著延长载流子寿命。Mo 掺杂结合间隙氢配置可显著增强单层 β-Ga₂O₃ 的紫外吸收能力，并伴随吸收光谱的明显红移。该结构同时展现出更长的载流子寿命、更高的载流子迁移率及优异的可还原性，成为光催化制氢的理想候选体系。同时，含氧空位体系展现出增强的可见光吸收能力，最大吸收系数达 10⁵ cm⁻¹，表明其具备高效可见光利用特性。其中，Mo 掺杂与氧空位共存体系呈现最强氧化能力和最优光催化活性，有望成为高效氧析出光催化剂。

        •采用第一性原理方法，研究了在外部电场作用下 Mo 掺杂单层 β-Ga₂O₃ 的光催化性能。

        •含氧空位的体系表现出增强的可见光吸收能力，吸收系数高达 10⁵ cm^-1。

        •间隙氢的掺入可提高体系的电子漂移速度。

        •Ga₂O₃: Mo,H 体系在 0.5 V/Å 电场下呈现明显的吸收光谱红移及更强的还原能力。

        本研究采用第一性原理 GGA+U 方法，探讨了 Mo 掺杂、H_i 与 V_O 共存以及电场对 ML 型 β-Ga₂O₃ 光催化性能的影响。结果表明，在 Ga 富集条件下，Mo 掺杂体系更具稳定性，而 H_i 的引入进一步提升了结构稳定性。所有掺杂体系中，空穴有效质量均大于电子，且电子易迁移而空穴难迁移，有利于空穴分离。H_i 可提高电子迁移率与空穴电子有效质量比，提升载流子分离速率；H_i 与外加电场均能延长体系载流子寿命。Mo 掺杂与 H_i 显著增强了多层 β-Ga₂O₃ 对紫外光的吸收能力，吸收光谱呈现显著红移效应，并提升光利用率；该系统还展现出更长的载流子寿命、更高的载流子活性及更优异的可还原性；其氢气析出自由能更接近零，对水电解制氢具有相对最有利的条件。因此，Mo 掺杂结合 H_i 可使 ML β-Ga₂O₃ 成为光催化制氢的有效催化剂。含 V_O 的体系具有增强的可见光吸收能力，最大吸收系数达 10⁵ cm⁻¹，表明其可见光利用效率较高。其中 Mo 掺杂与 V_O 共存的体系具有最强氧化能力和最佳光催化活性。当施加 6.56 V 电压时，该体系的光生空穴可驱动氧析出反应（OER），有利于光催化水分解。因此掺杂 Mo 并引入 V_O 可使 ML 型 β-Ga₂O₃ 成为光催化产氧催化剂。Mo 掺杂有效缩窄了 ML 型 β-Ga₂O₃ 的带隙并引入杂质能级。这些改性促进了电子从价带向杂质能级的跃迁，导致吸收边显著红移。结果显示掺杂材料在可见光吸收和还原能力方面均获得显著提升，从而提高了其光催化效率。本研究为新型光催化材料的设计与制备提供了理论参考价值。

        本研究得到内蒙古自治区自然科学基金（2024LHMS01011, 2025QN01024）；内蒙古自治区一级学科科研项目（PZ2024000561）；内蒙古工业大学科研启动基金（DC2400003099）的支持。

图1. β-Ga₁₆O₂₄ 模型：(a). 正面视图；(b). 顶部视图。

图2. 掺杂体系的俯视图与正视图：(a). Ga₁₅O₂₄Mo₁; (b). Ga₁₅O₂₄Mo₁H₁; (c). Ga₁₅O₂₃Mo₁; (d) Ga₁₆O₂₄H₁; (e). Ga₁₆O₂₃。

图3. 动力学稳定性：(a). Ga₁₆O₂₄; (b). Ga₁₅O₂₄Mo₁. (c). Ga₁₅O₂₄Mo₁H₁; (d). Ga₁₅O₂₃Mo₁; (e) Ga₁₆O₂₄H₁; (f). Ga₁₆O₂₃. (g). 0.5-Ga₁₆O₂₄; (h). 0.5-Ga₁₅O₂₄Mo₁. (i). 0.5-Ga₁₅O₂₄Mo₁H₁; (j). 0.5- Ga₁₅O₂₃Mo₁; (k) 0.5-Ga₁₆O₂₄H₁; (l). 0.5-Ga₁₆O₂₃。

图4. 0 和 0.5 V/Å 电场下 Ga₁₆O₂₄, Ga₁₅O₂₄Mo₁, Ga₁₅O₂₄Mo₁H₁, Ga₁₅O₂₃Mo₁, Ga₁₆O₂₄H₁ 以及 Ga₁₆O₂₃ 的能带图。

图5. 0 和 0.5 V/Å 电场下的复杂介电函数：Ga₁₆O₂₄, Ga₁₅O₂₄Mo₁, Ga₁₅O₂₄Mo₁H₁, Ga₁₅O₂₃Mo₁, Ga₁₆O₂₄H₁ 和 Ga₁₆O₂₃。（a）实部；（b）虚部。

图6. 吸收光谱：Ga₁₆O₂₄, Ga₁₅O₂₄Mo₁, Ga₁₅O₂₄Mo₁H₁, Ga₁₅O₂₃Mo₁, Ga₁₆O₂₄H₁ 和 Ga₁₆O₂₃。（a）242–340 nm；（b）380–800 nm。

图7. 光催化氧化还原反应原理示意图。

图8. 0 和 0.5 V/Å 电场下 Ga₁₆O₂₄, Ga₁₅O₂₄Mo₁, Ga₁₅O₂₄Mo₁H₁, Ga₁₅O₂₃Mo₁, Ga₁₆O₂₄H₁ 和 Ga₁₆O₂₃ 的带边位置分布。

图9. 0 和 0.5 V/Å 电场下：Ga₁₆O₂₄, Ga₁₅O₂₄Mo₁H₁, Ga₁₅O₂₃Mo₁, Ga₁₆O₂₄H₁ 和Ga₁₆O₂₃ 的功函数。

图10. 0和0.5 V/Å电场下Ga₁₆O₂₄, Ga₁₅O₂₄Mo₁, Ga₁₅O₂₄Mo₁H₁, Ga₁₅O₂₃Mo₁, Ga₁₆O₂₄H₁ 及 Ga₁₆O₂₃ 的自由能变化过程。(a) 0 V/Å-HER；(b) 0.5 V/Å-HER；(c) 0 V/Å-Ga₁₅O₂₃Mo₁ 氧电解反应；(d) 0.5 V/Å-Ga₁₅O₂₃Mo₁ 氧电解反应。

原文链接：

www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S0022369725008194