新型二維單層材料的第一性原理研究.pdf

1、自從石墨烯在實驗上被成功制備以來，具有原子級別厚度二維材料引起了人們廣泛的研究興趣。其中，單層MoS2及phosphorene作為新型二維單層材料，具有非常優(yōu)異的物理和化學(xué)性質(zhì)，克服零帶隙石墨烯的缺點的同時依然具有石墨烯的很多優(yōu)點，成為輔助甚至替代石墨烯的理想材料。它們在催化、場效應(yīng)管、光電器件、自旋電子器件及谷電子學(xué)等領(lǐng)域都有潛在的應(yīng)用價值，使得它們成為了物理、化學(xué)、材料、電子等眾多領(lǐng)域的研究熱點。在新型材料的研究過程中，人們往往會根

2、據(jù)需要調(diào)節(jié)已有材料的性質(zhì)，來擴(kuò)大相應(yīng)材料的應(yīng)用范圍和優(yōu)化材料的性能?；诿芏确汉碚摰挠嬎憧梢院芎玫膸椭A(yù)測新材料的結(jié)構(gòu)及性質(zhì)，同時也反過來為實驗上的成功提供了理論依據(jù)，成為了實驗及工業(yè)發(fā)展的堅強后盾。因此本論文采用第一性原理計算方法，通過構(gòu)建合理的結(jié)構(gòu)模型對單層MoS2及phosphorene的摻雜效應(yīng)進(jìn)行了系統(tǒng)的研究，研究了摻雜對其晶體結(jié)構(gòu)、電學(xué)及光學(xué)性質(zhì)的調(diào)制效果。主要研究內(nèi)容包括以下兩個方面:
　　1.首先研究了O替代摻雜

3、對單層MoS2的晶體結(jié)構(gòu)、電學(xué)及光學(xué)性質(zhì)所帶來的影響。在模型設(shè)計方面考慮了不同O摻雜濃度（2.08％、3.70％和8.33％）對MoS2物理性質(zhì)的影響。主要分析了摻雜前后單層二硫化鉬的幾何結(jié)構(gòu)、能帶、分波態(tài)密度(PDOS)、Mulliken布居、介電函數(shù)及吸收系數(shù)的變化趨勢。在幾何結(jié)構(gòu)方面，雜質(zhì)附近發(fā)生了局域結(jié)構(gòu)畸變，畸變的程度隨著摻雜濃度的增加而增大，分析認(rèn)為這是由于摻雜氧原子與硫原子的原子半徑及電負(fù)性不同造成的。隨著摻雜濃度的增加，

4、在電學(xué)性質(zhì)方面，單層MoS2會發(fā)生由直接帶隙半導(dǎo)體(K→K)到間接帶隙半導(dǎo)體(Γ→K)的轉(zhuǎn)變，并且?guī)兜膶挾入S著摻雜濃度的增加而減小。在光學(xué)性質(zhì)方面，通過對介電函數(shù)虛部的計算指出了未摻雜及摻雜體系介電函數(shù)圖像中各峰值對應(yīng)的電子帶間躍遷。O原子摻雜使光學(xué)吸收邊發(fā)生了明顯的藍(lán)移現(xiàn)象。
　　2.另外，采用4×3×1的phosphorene超胞為計算模型，系統(tǒng)探討了單個V原子摻雜及V-B、V-C、V-N、V-O共摻雜對phosphoren

5、e體系的晶體結(jié)構(gòu)和光電性質(zhì)所帶來的影響。結(jié)果表明，單個3d過渡金屬V原子摻雜形式并沒有使phosphorene發(fā)生明顯的局域結(jié)構(gòu)形變，但是當(dāng)對其繼續(xù)進(jìn)行非金屬(B、C、N或者O)摻雜，即形成V-B、V-C、V-N、V-O共摻雜時，對體系的結(jié)構(gòu)影響較大，雜質(zhì)附近發(fā)生了明顯的結(jié)構(gòu)畸變。本文所考慮的所有摻雜類型都通過在帶隙中引入雜質(zhì)帶的方式減小phosphorene的禁帶寬度，但是摻雜體系仍保持直接帶隙半導(dǎo)體的特性。這就意味著不同摻雜類型對單

6、層黑磷提供不同的結(jié)構(gòu)形變從而實現(xiàn)了對其能帶結(jié)構(gòu)的有效調(diào)控。通過光吸收系數(shù)的計算表明，過渡金屬及非金屬雜質(zhì)的引入，使phosphorene光學(xué)吸收邊界發(fā)生了紅移現(xiàn)象，并且摻雜前后的phosphorene都具有各向異性的光學(xué)性質(zhì)。
　　由以上的計算分析可以看出，原子替代摻雜是對新型二維單層材料的物理性質(zhì)進(jìn)行調(diào)控的行之有效、且非常容易的手段。可以通過對新型二維單層材料摻雜的方式來調(diào)節(jié)它們的電子結(jié)構(gòu)及光學(xué)性質(zhì)、優(yōu)化它們的性能，進(jìn)而擴(kuò)大其在