面外非对称性二维Janus材料压电性能设计与调控的理论研究

Two-dimensional (2D) Janus materials possess superiority in the research of the out-of-plane piezoelectric effect due to the symmetry breaking in the vertical direction, which show extensive prospects for piezoelectric devices. Hence searching for Janus materials with excellent piezoelectric properties and revealing the microscopic mechanism for regulating the performance are the key to their applications. This project will be based on first-principles calculations and molecular dynamics simulations to investigate the piezoelectric effect of 2D Janus materials. Our activities including the following parts: a) To design 2D Janus structures theoretically and study the basic properties such as structural stability, mechanical and electronic properties, especially the out-of-plane piezoelectric polarization. b) To regulate the piezoelectric properties by means of introducing defects and revealing the microscopic mechanism. c) To study multilayer 2D Janus structures. d) To design van der Waals Heterojunctions based on Janus monolayers or with other 2D piezoelectric materials, and to explore the intrinsic relationship between the microstructures and piezoelectric properties. Our goal is to propose a new strategy of preparing excellent piezoelectric devices based on 2D Janus materials, and gain a deep understanding of the microscopic mechanism for regulating piezoelectric properties. These theoretical results and predictions will provide valuable theoretical guidance for experimental synthesis efforts and applications of the new 2D Janus piezoelectric materials.

二维Janus材料由于垂直方向的对称性破缺使其在面外压电效应的研究方面占据优势，在压电器件领域有着广阔的应用前景。而寻找具有优异压电性能的Janus材料并揭示其性能调制的微观机理是实现其应用的基础和关键。本项目拟采用第一性原理数值计算和分子动力学模拟等方法研究二维Janus材料的压电效应，研究内容包括：1）理论设计二维Janus模型，计算结构稳定性、力学以及电学性质，侧重研究体系平面外的压电效应。2）通过考察材料的压电性质对不同缺陷结构的响应，阐述调控其压电性能的微观机制。3）研究层数对其压电性质的影响。4）理论设计基于Janus单层或与其他二维压电材料组成的范德华异质结，揭示异质微观结构与压电性能之间的内在关联。通过本项目的研究，提出利用Janus材料制备优异压电器件的新策略，深化对压电性能调控微观机制的理解，为实验制备新型压电半导体纳米材料提供理论指导。

二维材料因其奇异的电子、光学、热学和机械性能，在电子器件、能源、催化等领域表现出广阔的应用前景。在本项目的支持下，我们不仅研究了具有压电性的二维材料的多铁性质，还关注了光、电催化以及太阳能电池等相关问题。磁电多铁材料因为可实现磁控电或者电控磁的性质备受关注，然而，由于铁电与铁磁效应的内在排斥，具有强磁电耦合的二维多铁材料仍然稀缺。基于理论模拟，我们通过将铁磁引入到具有对称性破缺的二维矩形晶格FeCl中实现了材料的多铁性质。研究表明，二维FeCl是具有固有铁磁性的双极磁性半导体(BMS)，其电极化和易磁化轴方向的90度旋转，都可以通过外加电场进行切换，实现了磁电耦合，为应用于自旋电子器件的二维磁电多铁材料提供了理论指导。铁电体的内部自发极化对光生电子空穴对的分离非常有利，因此铁电材料被认为是一种非常有前途的光催化材料。理论结合实验我们研究了层状钙钛矿铁电体Bi3TiNbO9，利用其铁电外屏蔽效应，实现了超高的污染物吸附和优异的光降解活性。氢能作为低碳能源，在能源转型中扮演着重要角色，其中选择合适的催化剂是实现高效制氢的有效途径。我们研究了双位点磷修饰对g-C3N4光催化析氢的影响，给出提高光催化产氢效率的关键因素和物理原因。同理，开发新型高效催化剂对提高锂空电池循环寿命和往返效率也十分关键，我们讨论了质子型添加剂，氧化还原介质用于提高Li-O2电池电化学性能，从原子层面分析了电催化中可能涉及的反应机理，为Li-O2电池的催化剂发展提供一些思路和指导。由于全无机钙钛矿材料CsPbBr3具有较好的稳定性，受到了极大的关注。基于第一性原理计算，分析了通过控制晶格膨胀增强钙钛矿太阳能电池的光电转换效率的理论机制，为增强太阳能电池转换效率提供了可能方向和途径。