二维WS₂和AlN单层都具有稳定的蜂窝结构，如 图1 (a) 和 (c) 所示。为了建立合适的异质双层系统，我们首先计算了原始结构各自的电子性质。优化后的WS₂的晶格常数a为3.16 Å。基于平面波赝势法，优化得到的S-W键长和最接近的S-S距离(层厚)分别为2.41 Å和3.15 Å，计算出WS₂单层的S-W-S键角为81.4˚。这些结构参数与先前的研究实验结果一致 [18] 。对于AlN单层，经过弛豫后，计算得到单层AlN的晶格常数a为3.11 Å，优化后的单层AlN Al-N键长为1.79 Å。如能带结构 图1 (b) ， (d) 所示，单层WS₂和AlN均是半导体，但WS₂是直接带隙半导体，其导带最低点和价带最高点均位于高对称K点处，带隙宽度为1.88 Å，单层AlN是间接带隙半导体，导带最低处位于Γ点而价带最高处在K点位置，带隙宽度则为2.95 Å。

由于单层WS₂和AlN之间的晶格适配系数仅为1.5%，因此我们将引入一个包含单个WS₂层和单个AlN层的1 × 1 × 1的双层异质体系WS₂/AlN有许多种不同的排列组合。考虑到两个单层的原子位置和空穴位置，我们罗列出六种可能的堆叠方式，如 图2 所示，分别用A₁/A₂、B₁/B₂、C₁/C₂表示。其中A₁/A₂构型中，上层的S(W)原子正对着下层的Al(N)原子。对于B₁/B₂构型，先固定WS₂单层，将下层的Al原子正对着上层WS₂的六角元环中心，同时N原子跟上层的S原子对齐，B₂则是在B₁的基础上，将AlN层绕着六角圆环中心，顺时针或逆时针旋转60˚；C₁/C₂则是通过固定WS₂层，将下层的N原子正对WS₂六角中心，同时Al原子正对S原子，C₂在C₁基础上，顺(逆)时针旋转下层。为了定量表示各种异质结构的稳定性，给出结合能的定义为：

$E_b=E_{W{S}_2/AlN}-\left(E_{W{S}_2}+E_{AlN}\right)$ (1)

六个 $E_{W{S}_2/AlN}$异质双层的优化结构参数如 表1 所示。这些体系的结合能值均为负，表明这些异质双层的形成都是放热的。稳定性通常与系统的能量有关，在所有6个异质双层体系中，可以看到A₁堆叠的构型结合能最低，为−0.274 eV，表示放出最多的能量，系统能量更低更稳定，同时有着最小的层间距。较小的层间距可以带来更高的稳定性，因为层间相互作用更强，有助于稳定整体结构。除此之外，综合6组结合能数据来看，计算出的结果之间差距都比较小，意味着这些构型在这种条件下的相互作用强度相似，或者说它们之间的差异不大。结合上述两点，可以推断出这些异质双层中的原子层之间的范德华力相对较弱。同时发现各体系之间的晶格常数(约为3.14 Å)，和键长(Al-N = 1.81 Å、W-S = 2.40 Å)的差异非常小，说明异质双层结构对堆叠方式不敏感。

由于层与层之间的弱相互作用，WS₂/AlN异质双层中的几何畸变相对较小。对于异质双层在下一代高性能纳米电子学中的应用，异质结构中的带隙调节也是一个重要的问题，所以我们继续计算了这些构型的能带结构和电子态密度。

考虑到尽量减小层与层之间的相互作用，在这一部分中，我们在异质双层结构中沿z轴方向建立了30 Å的真空空间，使得层与层之间的相互作用可以忽略不计。不同的异质双层电子能带结构见 图3 。

从能带图我们可以发现A₁构型和B₂构型的异质双层结构为直接带隙半导体，并且在这两种构型中，导带的最低点和价带的最高点均位于高对称点K，带隙宽度也比较接近，分别为1.45 eV和1.47 eV。剩余的四种构型为间接带隙半导体，如图(b) A₂具有1.82 eV的带隙值；(c) B₁具有1.80 eV的带隙值；(e) C₁具有1.82 eV的带隙值；(f) C₂具有1.81 eV的带隙值。他们的价带最高点仍然位于K点，但导带最低点却不再是K点，而是落在K点和Γ点之间的某个位置，形成了间接带隙半导体。但他们的带隙宽度仍然相似，约为1.8 eV左右。

图4 中我们可以看出，在费米能级附近，WS₂/AlN结构的导带和价带分别由WS₂层和AlN层贡献。并且电子态密度图的上旋和下旋图像对称，说明这6种体系均无磁性。因此，光激发的电子和空穴倾向于停留在不同的位置，并且允许从VBM跃迁到CBM，那么电子-空穴对能够有较高概率辐射重组。同时表明双层WS₂/AlN为Ⅱ型异质结构，有利于光探测和太阳能转换。