近日，物理与电子工程学院王晓宁老师团队在国际学术期刊《Nano Letters》（JCR Q1，IF = 9.6）上发表了题为“Rational Design of Zero-Dimensional Gold Cluster/Two-Dimensional TMD Heterostructures for Enhanced Photocatalytic and Optoelectronic Performance”的学术论文。王晓宁为第一作者，中国科学技术大学胡伟教授为通讯作者，新疆师范大学为第一完成单位。
在太阳能转化、光催化制氢和光电传感等新兴能源与电子技术领域，核心挑战之一是如何高效利用光能并将其转化为电能或化学能。然而，传统的单一材料体系（如单晶半导体）通常存在带隙固定、光吸收范围有限、光生电子和空穴难以有效分离等问题，限制了其在实际器件中的性能表现。近年来，科学家们提出了构建范德华异质结（vdWH）的策略，即将两种或多种不同材料进行巧妙结合，形成新型复合界面结构，以克服单组分材料的固有限制。并且，由于vdWHs材料间通过非共价弱相互作用耦合，具有晶格匹配要求低、界面缺陷少、结构设计自由度高等优势，已成为研究焦点。
本研究采用密度泛函理论系统设计了三种典型的金团簇（Au4, Au10, Au20）与过渡金属二硫族化物（TMD）单层构成的0D/2D vdWHs。研究发现，团簇尺寸的变化能够显著调控两种材料之间的能带对齐类型，从而影响载流子的空间分布和分离效率。所构建的体系涵盖了type-I、type-II（包括Z-scheme）与type-III三种典型异质结类型，展示出高度可调的光电功能，为新一代高性能光电器件和光催化体系的理论设计与材料筛选提供了有效策略。
图1:（a）Au4、Au10和 Au20团簇的优化结构。（b）Aun团簇和TMD的能带排列图。彩色虚线分别为Aun团簇的最高占据分子轨道和最低未占据分子轨道，绿色区域为 TMD 的禁带范围。
研究系统地构建并分析了由不同尺寸金团簇（Au4, Au10, Au20）负载在TMD单层上形成的0D/2D范德华异质结构（vdWHs）。通过调控Aun团簇的尺寸，实现了三种典型的能带对齐类型——type-I（如Au10/MoSe2）、type-II和近似type-III（如Au4/WTe2）异质结。其中，Au20/MoS2体系表现出类Z-scheme电子转移行为，即电子从Aun团簇流向TMD，形成内建电场，从而促进电子-空穴的空间分离，并保留高氧化还原能力，有利于增强光电催化效率。相较之下，Au20/WTe2形成传统type-II异质结，空间分离效率略低。
结构与电子态分析显示，Aun团簇优先以金字塔底面对齐TMD三角区域吸附，构型稳定。热力学结果（结合能与AIMD分子动力学模拟）和电荷分布（Bader分析、ELF函数和静电势）进一步验证了各异质结构在室温下的结构稳定性，未见团簇解离。
在光学性能方面，Au20的引入显著增强了TMD基底的可见光吸收能力，MoS2与WTe2的吸收强度分别提升了33.62%与18.01%。此外，Au20的负载还显著降低了MoS2和WTe2在析氢反应（HER）中的Gibbs自由能势垒，为构建高效光催化体系提供了材料基础与理论指导。
图2:(a) Au20/MoS2 和 (b) Au20/WTe2 在价带顶/导带底附近的投影能带结构和电荷密度分布。投影能带图中圆圈的大小表示每个能带中对Au20（红色）和 TMD（蓝色）有贡献的电子态比例。(c) Au20/MoS2和 (d)Au20/WTe2的第一和第二激发态电子（绿色）和空穴（灰色）在实空间的分布。
作者采用VASP进行基态结构与电子性质计算，引入HSE06与SOC修正能带误差，并利用课题组自主开发的计算软件KSSOLV开展激发态电荷分布模拟，全面揭示了异质结构的光吸收与光生电子-空穴分布机制。通过对比不同团簇尺寸与TMD种类，实现了能带类型与性能的定向调控，明确了“团簇-基底”协同作用对界面功能化的核心贡献。
图3:基于TMD和Aun团簇的典型场效应晶体管结构示意图。
本研究揭示了通过调控金属团簇尺寸与TMD界面构型，可实现从type-I、type-II（包括Z-scheme）、type-III的能带对齐模式。尤其是在Z-scheme电荷分离机制方面，本工作展示了0D/2D界面调控在提升光生载流子分离效率与氧化还原活性方面的巨大潜力。这种界面调控策略为构建多类型光电功能器件（如光催化反应器、光探测器和低功耗晶体管）提供了理论基础，尤其在提高光生载流子分离效率和氧化还原活性方面表现出巨大潜力。值得强调的是，已有研究表明，通过物理气相沉积、团簇束沉积及溶液自组装等手段，能够在TMD表面实现金属团簇的精确沉积，为本研究所提出的0D/2D范德华异质结构的实验实现和器件集成应用奠定了可行性基础。未来，该类结构在光催化制氢、光电信息探测以及新型柔性电子器件中具有广阔的应用前景。
本研究得到了国家自然科学基金、自治区“天池英才”引进计划青年博士等项目资助。
图文来源：物理与电子工程学院 编审：宣传部
