過(guò)渡金屬二硫化物異質(zhì)結(jié)中超快電荷轉(zhuǎn)移的非絕熱動(dòng)力學(xué)研究.pdf

1、利用第一性計(jì)算原理研究凝聚態(tài)體系基態(tài)電子結(jié)構(gòu)的方法已經(jīng)越來(lái)越成熟，然而激發(fā)態(tài)電子性質(zhì)的研究尚存在諸多問(wèn)題。首先，密度泛函理論中的交換關(guān)聯(lián)勢(shì)部分的近似對(duì)激發(fā)態(tài)的描述不夠好，導(dǎo)致無(wú)法得到準(zhǔn)確的空軌道準(zhǔn)粒子能級(jí)以及激發(fā)能，激發(fā)態(tài)的原子勢(shì)能面難以計(jì)算;而時(shí)間分辨的激發(fā)態(tài)衰減的動(dòng)力學(xué)過(guò)程就更加難以簡(jiǎn)單地用密度泛函程序來(lái)計(jì)算。我們知道用于太陽(yáng)能轉(zhuǎn)化的半導(dǎo)體材料中的電子空穴對(duì)的激發(fā)與衰減涉及到非常復(fù)雜的物理過(guò)程。電子空穴對(duì)的激發(fā)能量由準(zhǔn)粒子能級(jí)以及激

2、子的束縛能決定，激發(fā)強(qiáng)度則由初態(tài)與末態(tài)的躍遷偶極距決定;而激發(fā)態(tài)電子空穴對(duì)的衰減動(dòng)力學(xué)更加復(fù)雜，電子會(huì)在一定壽命內(nèi)衰減到基態(tài)，其壽命由激發(fā)態(tài)與基態(tài)之間的耦合決定，同時(shí)在這個(gè)過(guò)程中激發(fā)態(tài)載流子與體系內(nèi)的其他準(zhǔn)粒子，例如聲子、極化子、等離激元等，以及體系的缺陷、雜質(zhì)、表面重構(gòu)與吸附等產(chǎn)生復(fù)雜的耦合。
　　激發(fā)態(tài)的動(dòng)力學(xué)涉及激發(fā)態(tài)的勢(shì)能面和激發(fā)態(tài)之間的耦合，經(jīng)典自由度的演化引起體系的電子自由度在各個(gè)激發(fā)態(tài)之間躍遷，同時(shí)電子態(tài)的躍遷反過(guò)來(lái)

3、會(huì)影響經(jīng)典自由度的演化，在這種情況下傳統(tǒng)的波恩-奧本海默近似（絕熱近似）不再適用。在第一章中，我們從波恩-奧本海默分子動(dòng)力學(xué)出發(fā)，說(shuō)明絕熱近似不再適用的情況，引入非絕熱分子動(dòng)力學(xué)。我們主要介紹其中兩種方法，Ehrenfest動(dòng)力學(xué)和面跳躍方法(Surface Hopping)。這兩種方法中，量子躍遷都是由含時(shí)薛定諤方程引起的。兩者的唯一區(qū)別在于經(jīng)典自由度的運(yùn)動(dòng)方程不同，前者是由一個(gè)平均勢(shì)能面驅(qū)動(dòng)，而面跳躍方法中，原子核在任意時(shí)刻都只運(yùn)動(dòng)

4、在與某個(gè)電子態(tài)對(duì)應(yīng)的勢(shì)能面上。最后我們介紹了Prezhdo教授發(fā)展的含時(shí)密度泛函和最小面跳躍相結(jié)合的方法，該方法對(duì)面跳躍方法做了一系列的近似，減小了計(jì)算量，能夠用于比較大的體系的研究。
　　在第二章中，我們簡(jiǎn)單介紹了二維層狀材料以及其組成的范德華異質(zhì)結(jié)。過(guò)渡金屬二硫化物由于其優(yōu)異的光學(xué)性能而備受關(guān)注，在其形成的異質(zhì)結(jié)材料中更是觀察到了超快的電荷分離現(xiàn)象，而有效的電荷分離是光電轉(zhuǎn)換的關(guān)鍵。從理論上更深入的了解其超快電荷轉(zhuǎn)移過(guò)程有助于

5、我們對(duì)新型器件的設(shè)計(jì)。
　　在第三章中，我們將Prezhdo發(fā)展的非絕熱分子動(dòng)力學(xué)引用于研究過(guò)渡金屬二硫化物(TMD)異質(zhì)結(jié)中的超快電荷轉(zhuǎn)移過(guò)程，我們主要集中在MoS2/WS2異質(zhì)結(jié)的光激發(fā)空穴的超快轉(zhuǎn)移過(guò)程。我們發(fā)現(xiàn)，對(duì)于這個(gè)體系，聲子在超快空穴轉(zhuǎn)移中起了很重要的作用。我們的研究對(duì)于新型二維器件的設(shè)計(jì)有著重要的啟示。
　　在第四章中，我們利用非絕熱分子動(dòng)力學(xué)對(duì)兩個(gè)相似的異質(zhì)結(jié)—MoS2/WS2和MoSe2/WSe2中的電荷