基于第一性原理的二维共价有机框架COF-LZU1电子结构与光学性质研究及其光电应用潜力探索

　　本文通过密度泛函理论（DFT）系统研究了二维共价有机框架（COF）材料COF-LZU1的电子结构与光学特性。研究表明该材料具有稳定的半导体特性（带隙明显）、显著的面内/面外光学各向异性、优异的可见光-紫外区吸收能力及高透光性，在光电器件（如光电探测器、太阳能电池）和生物传感领域展现巨大应用潜力。

　　

Highlight

（注：原文无此部分，根据要求从Method开始翻译）

Method

本研究采用基于密度泛函理论（DFT）的OpenMX 3.9软件进行模拟计算。交换关联能采用广义梯度近似（GGA）下的Perdew-Burke-Ernzerhof（PBE）泛函处理。平面波截断能设置为250 Ry，该值通过体系总能量和带隙的收敛测试确定。所有结构均经过充分优化，直至每个原子受力小于0.005 eV/?。采用15 ?真空层以避免周期性镜像层间的相互作用。基于优化后的结构，计算了能带结构、态密度（DOS）和光学性质。光学性质计算涵盖了介电函数、光电导率、吸收系数、反射率和透射率等参数。

Results and discussion

图1展示了COF-LZU1的3×3×1超胞构型（红色虚线标示单胞）。每个单胞包含36个碳原子、6个氮原子和24个氢原子，晶格参数为22.55 ?。电荷密度差分图（图1）显示黄色区域为电子积累区（氮原子富集电子），青色区域为电子耗尽区（碳和氢原子位点），表明电荷从碳氢区域向氮原子转移。

COF-LZU1的结合能为负值，表明其结构具有能量稳定性。从头算分子动力学（AIMD）模拟在300 K下进行5 ps（步长1 fs），结果显示体系总能量波动微小且结构无破坏，进一步证实其热稳定性。

能带结构和态密度分析表明：价带顶和导带底分别位于布里渊区的G点和M点，呈现间接带隙半导体特性，带隙值为2.25 eV。费米能级处态密度为零，进一步确认其半导体行为。

光学性质研究表明：COF-LZU1在面内（xx/yy）和面外（zz）方向表现出显著的光学各向异性。介电常数实部ε₁(ω)在低能区趋于稳定值4.8（面内）和2.1（面外），与高孔隙率材料（如石墨炔）相当。虚部ε₂(ω)在光子能量4.5 eV处出现主峰，对应电子从价带至导带的跃迁。

吸收系数在可见光区（1.5–3.5 eV）和紫外区（4.5–6.5 eV）呈现强吸收峰，最高值达6×10⁵ cm^?1。反射率低于15%，透射率在可见光区超过80%，表明材料具有高透明度。光电导率在4.5 eV附近显著上升，进一步证实其光响应能力。这些特性使COF-LZU1适用于可见光-紫外区工作的光电器件。

Conclusion

本文通过第一性原理计算研究了二维共价有机框架COF-LZU1的电子结构与光学性质。负结合能和AIMD模拟表明材料具有能量稳定性。电子结构显示明显的带隙和费米能级处态密度为零，证实其半导体行为。光学分析揭示其具有强烈的各向异性、高可见光-紫外吸收能力、低反射率和高透射率，在光电器件领域具有应用潜力。