Mixed Valence Tin Oxides as Novel van der Waals Materials: Theoretical Predictions and Potential Applications

材料科学 范德瓦尔斯力 带隙 堆积 密度泛函理论 价(化学) 光伏 单层 纳米技术 异质结 晶体结构 计算化学 光电子学 结晶学 光伏系统 化学 分子 生物 有机化学 冶金 生态学
作者
Junjie Wang,Naoto Umezawa,Hideo Hosono
出处
期刊:Advanced Energy Materials [Wiley]
卷期号:6 (1) 被引量:83
标识
DOI:10.1002/aenm.201501190
摘要

Van der Waals (vdW) heterostructures, which can be assembled by combining 2D atomic crystals in a precisely chosen sequence, enable a wide range of potential applications in optoelectronics, photovoltaics, and photocatalysis. However, the difficulty of peeling isolated atomic planes and the lattice mismatch between different materials is the main obstacle to hinder vdW materials from more practical applications. In this work, the mixed valence tin oxides, Sn x O y (0.5 < x / y < 1), are proposed as a new member of vdW materials and these mixed valence tin oxides show promise to overcome the above‐mentioned obstacle. Density‐functional theory calculations are combined with an evolutionary algorithm to predict the crystal structures of a series of previously reported tin oxides (Sn 2 O 3 , Sn 3 O 4 , Sn 4 O 5 , and Sn 5 O 6 ), unreported compositions (Sn 7 O 8 , Sn 9 O 10 , and Sn 11 O 12 ), and a new β ‐ SnO phase. These structures consist of β ‐SnO, Sn 2 O 3 , and Sn 3 O 4 monolayers. Their band gaps can be engineered in the 1.56–3.25 eV range by stacking the monolayers appropriately. The band gap depends linearly on the interlayer distance, as understood from interlayer Sn 2+ –Sn 2+ and intralayer Sn 2+ –O interactions. Sn x O y structures exhibit high photoabsorption coefficients and suitable band‐edge positions for photoexcited H 2 evolution; this indicates potential for environmentally benign solar energy conversion in photovoltaic and photocatalytic applications.

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