嵌入势能差的Mg2AlXY5单层材料：非中心对称结构设计实现高效光生载流子分离与18.64%能量转换效率

《iScience》：Intercalated architecture of Mg2AlXY5 monolayer with built-in potential difference and high-power-conversion efficiencies

本研究针对中心对称结构二维材料不利于光生载流子分离的科学难题，通过第一性原理计算设计了新型非中心对称九原子层Mg2AlXY5(X=Ga,In; Y=S,Se,Te)单层材料。研究证实该材料系列具有优异的结构稳定性、0.31-2.98 eV内置势差、高达3.36×103cm2V-1s-1的电子迁移率及近红外-可见光区强吸收特性，其中Mg2AlGaSe5/InSe异质结实现了18.64%的功率转换效率，为高性能光电器件开发提供了新范式。

　　

在能源革命与智能化时代背景下，二维层状材料因其独特的物理化学性质成为前沿研究热点。然而，传统二维材料普遍存在的中心对称结构却成为制约其光电转换效率提升的"阿喀琉斯之踵"——这种结构对称性导致光生电子-空穴对难以有效分离，大量能量以热耗散形式损失。正如自然界中不对称结构往往能产生更高效的能量转换（如植物叶片的不对称排列优化光合作用），设计非中心对称二维材料成为突破现有技术瓶颈的关键路径。

重庆三峡大学刘丽丽团队在《iScience》发表的创新性研究，借鉴九原子层Mg₂Al₂Se₅单层的结构优势，提出了一种全新的材料设计策略。研究人员通过精确调控原子排列，构建了Mg₂AlXY₅(X=Ga,In; Y=S,Se,Te)这一新型非中心对称单层材料家族，其巧妙之处在于通过Al与X(Ga/In)原子的化学不对称性，在单层内部形成自发极化电场，为光生载流子的定向分离提供了内在驱动力。

研究团队采用多尺度计算模拟方法验证材料性能：通过维也纳从头算模拟软件包(Vienna Ab initio Simulation Package, VASP)进行几何结构优化与电子性质计算，结合混合泛函HSE06提高能带计算精度；利用声子谱和300K下的从头算分子动力学模拟验证热力学稳定性；基于形变势理论计算载流子迁移率；通过真空能级对齐法评估异质结能带排列。

材料设计与稳定性验证

研究团队设计的Mg₂AlXY₅单层采用独特的夹层架构，由Mg-Se六方密堆积层与Al-X交替层构成。拓扑分析显示所有构型均呈现动态稳定（声子谱无虚频）和热稳定（AIMD模拟中结构保持完整），晶格常数分布在3.69-4.29 ?范围，为异质结构建提供了理想的基础单元。

电子结构与光学特性

能带计算揭示大多数Mg₂AlXY₅单层具有直接带隙特性，其中Mg₂AlGaSe₅的HSE06带隙为1.84 eV，恰好位于理想太阳能电池材料的带隙区间。特别有趣的是，自旋轨道耦合效应在含Te材料中诱导了能带转型：Mg₂AlGaTe₅和Mg₂AlInTe₅从间接带隙转变为直接带隙，带隙值分别降至0.75 eV和1.15 eV，这种可控的能带工程为光电器件设计提供了新思路。

光学吸收谱显示该材料系列在近红外至可见光区具有强吸收能力，吸收系数显著高于传统二维材料。轨道分辨分析表明导带底主要由Al和S原子的s轨道贡献，而价带顶则源于S的p轨道，这种轨道分布特性有利于光生载流子的空间分离。

内置电势与载流子传输

研究最引人注目的发现是材料内部存在的0.31-2.98 eV电势差，这种由Al-X原子电负性差异产生的内置电场，如同在材料内部安装了"微型泵"，可有效驱动电子-空穴对分离。迁移率计算结果显示电子迁移率普遍超过10³cm²V^-1s^-1，最高达3.36×10³cm²V^-1s^-1，与MoSi₂N₄等高性能材料相当，而空穴有效质量较大则提示其电子传输占主导特性。

异质结设计与光伏性能

基于能带对齐原理，研究团队筛选出Mg₂AlGaSe₅作为理想给体材料，与InSe构建Type II异质结。该异质结的晶格失配率仅3.7%，导带偏移量优化后显著增加，最终实现的18.64%能量转换效率，可与钙钛矿太阳能电池相媲美。这种界面工程策略为二维材料在光伏领域的应用开辟了新途径。

研究结论表明，通过非中心对称架构设计，Mg₂AlXY₅单层材料成功实现了内置电势、适宜带隙和高载流子迁移率的协同优化。该工作不仅为高效光电器件提供了新材料体系，更重要的是展示了一种通过化学不对称性调控材料光电特性的普适性策略。尽管当前研究基于理论计算，需要后续实验验证和更精确的GW-BSE计算，但其设计理念对开发新一代二维光电器件具有重要指导意义，特别是在解决载流子分离效率这一关键难题方面提供了创新思路。