基于單層二硫化鉬的復(fù)合體系的第一性原理研究.pdf

1、自從2004年石墨烯問世以來，它憑借其自身優(yōu)異的物理化學(xué)性能已成為凝聚態(tài)物理，半導(dǎo)體材料，生物醫(yī)學(xué)，化學(xué)以及能源等領(lǐng)域的研究熱點。近幾年隨著石墨烯材料在鋰離子電池，傳感器，半導(dǎo)體光電器件上的成功應(yīng)用，類石墨烯二維納米材料的研究也逐漸受到了人們的廣泛關(guān)注。其中二維層狀過渡金屬硫化物二硫化鉬被認為是極具潛力的石墨烯替代物。單層二硫化鉬除了與石墨烯一樣具備極佳的導(dǎo)電性能和超強的硬度外，該材料還具備發(fā)光性。此外，單層二硫化鉬本身具有直接帶隙，能

2、夠克服石墨烯，硅烯，鍺烯等二維材料零帶隙的缺陷。而且，近期有研究顯示，由不同種類的二維材料結(jié)合在一起形成的復(fù)合體系，其組分在性能上可以相互補充，產(chǎn)生協(xié)同效應(yīng)，因而使復(fù)合材料具有更好的電子和光電特性。因此，本文采用基于密度泛函理論的第一性原理方法對由單層二硫化鉬以及其他類石墨烯材料組成的復(fù)合體系的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性和電子性質(zhì)進行了系統(tǒng)的研究。
　　本論文的第一部分主要對單層二硫化鉬的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性與基本電子性質(zhì)進行了研究。首先，我們對比分析了單

3、層到多層二硫化鉬的晶體結(jié)構(gòu)，原子間鍵長以及能帶結(jié)構(gòu)等。結(jié)果表明，單層的二硫化鉬是直接帶隙半導(dǎo)體材料，隨著層數(shù)的增加，直接帶隙逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)殚g接帶隙，并且?guī)吨饾u變窄。當(dāng)層數(shù)增加到五層時，體系的能帶結(jié)構(gòu)已經(jīng)與體相二硫化鉬的能帶結(jié)構(gòu)基本一致。其次，鑒于單層二硫化鉬的直接帶隙半導(dǎo)體特性，我們又進一步研究了各類單原子在其面上的吸附。計算結(jié)果表明，隨著吸附原子的不同，單層二硫化鉬可以表現(xiàn)出金屬性，半金屬性以及半導(dǎo)體性等不同性質(zhì)。并且通過差分電荷密度圖

4、，我們在某些原子吸附的單層二硫化鉬上也觀測到了局部或者長程的磁矩，由此可見單層二硫化鉬是一種比較易被修飾的二維材料。
　　在論文的第二部分，我們研究了由單層二硫化鉬和類石墨烯材料組成的超晶格體系的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性和電子性質(zhì)。在這里，我們選取石墨烯，硅烯和鍺烯這三種二維材料與單層二硫化鉬進行交替堆疊。計算結(jié)果表明，所有的超晶格均呈現(xiàn)出金屬特性，在費米能級附近原狄拉克點處的帶隙被打開。通過分析超晶格體系的差分電荷密度圖，我們發(fā)現(xiàn)超晶格之所以

5、顯示出金屬性，是因為在超晶格中原子層之間有少量的電荷轉(zhuǎn)移。因此超晶格層與層間的相互作用，除了范德瓦爾斯相互作用之外，還有少量的離子性結(jié)合。
　　論文的第三部分中，利用帶有范德瓦爾斯修正的密度泛函理論，我們對由單層二硫化鉬和類石墨烯材料組成的異質(zhì)雙層結(jié)構(gòu)進行了系統(tǒng)的研究。我們發(fā)現(xiàn)，由于石墨烯原子層和MoS2中S原子層間的電荷轉(zhuǎn)移，由單層二硫化鉬和石墨烯組成的異質(zhì)雙層材料顯示金屬特性。而由硅烯或鍺烯與單層二硫化鉬組成的異質(zhì)雙層結(jié)構(gòu)卻是

6、直接帶隙半導(dǎo)體。而且，通過施加外應(yīng)力或者改變原子層間距，我們可以調(diào)控異質(zhì)雙層結(jié)構(gòu)的帶隙類型及帶隙大小。當(dāng)我們對異質(zhì)雙層結(jié)構(gòu)施加應(yīng)力時，位于高對稱K點處的帶隙值會隨著晶格常數(shù)的增大而減小。當(dāng)應(yīng)力由拉應(yīng)力向壓應(yīng)力轉(zhuǎn)換時，由硅烯和單層二硫化鉬組成的異質(zhì)雙層結(jié)構(gòu)可以維持其直接帶隙，而由鍺烯和單層二硫化鉬組成的異質(zhì)雙層結(jié)構(gòu)卻會從直接帶隙向間接帶隙轉(zhuǎn)變。當(dāng)層間距小于平衡值時，帶隙隨著層間距的增大而增大;當(dāng)層間距等于平衡值時帶隙值達到最大值;而當(dāng)層間