二维过渡金属硫属化合物电子结构的第一性原理研究

【摘要】二维材料是指具有零点几到几个纳米厚度(原子或者分子层厚度的尺度)和相对于厚度“无限平面”尺寸的纳米薄膜,也可以被称作二维原子薄膜,是迄今为止最薄的功能纳米材料。这种体系由于电子限制在二维方向上运动,会具有一些独特的力、热、电、光的性质,从而使其在未来几年或十几年内都将成为物理、化学、生物等领域研究的热点,并且在能源转换、生物催化、柔性电子器件、感应器等领域有着无限可能的应用。近年来,在石墨烯研究热浪的推动下,其他具有二维层状晶体结构特征的类石墨烯结构无机化合物如BN、金属硫属化合物、过渡金属氧化物等的研究工作也已蓬勃展开。在这个过程中,由于独特的结构特征,层状过渡金属硫属化合物(LTMD)引起了人们极大的兴趣,并迅速成为热点,成为新一代高性能纳米光电器件国际前沿研究的核心材料之一。目前,高纯度高品质的二维LTMD纳米材料己在实验上获得,这也为其实际应用提供了可能。有关其力、光、磁学等方面的研究都已经展开,人们发现了一些独特的性质,得到一些有价值的结果。此外,作为半导体材料,其能带结构的调控受到不少关注。但是作为新材料,这方面的工作还值得进一步深入开展。本文将利用第一性原理计算的方法,通过施加应力、构成超晶格结构以及引入衬底的方式对二维LTMD纳米材料的能带结构进行调控。有关应力对二维LTMD半导体纳米材料的能带调控已有了些研究,但是都集中在单层和双层纳米薄膜,其多层膜及异质结还没有涉及。针对这点,本文首先研究了双层和多层(4和6层)MX2(M=Mo、W;X=S、Se)纳米膜和异质结MOS2/MX2(MX2=WS2、MoSe2、WSe2)的电子结构,并研究了应力对它们能带的调控作用,发现面内和法向压应力对这些体系的能带结构都能进行有效的调控,都能在一定范围内连续调节它们的光学带隙,甚至最终使它们过渡成金属；而且应力对MoS2/MX2异质结与MX2纳米薄膜能带结构调控的物理机制相同。其次,本文探讨了过渡金属硫属化合物原子薄膜超晶格的稳定性及电子结构,涉及的三种超晶格结构为MoS2/MoS2、MoS2/WS2和MoS2/WSe2即MoS2/MX2(MX2=MoSe2、WS2和WSe2)。通过界面结合能的计算证明了这三种超晶格结构的稳定性,并寻找出了最稳定构形。通过带阶的计算,证明了MoS2/WS2超晶格不能形成量子阱,MoS2/MoSe2和MoS2/WSe2超晶格可以形成量子阱,阱深分别为0.02eV和0.17eV。以MoS2/WSe2超晶格结构为例,研究了应力对超晶格电子结构的调控作用。本文还对2MoS2/2WSe2的电子结构特征及应力的影响进行了简单的研究。最后,本文研究了衬底SiO2对单层MoS2纳米膜和LiNbO3衬底对单层和双层MoSe2纳米薄膜电子结构的影响。结果表明由于衬底Si02和单层MOS2纳米膜间相互作用太弱以至于Si02对单层MOS2膜的能带结构几乎没有影响；Nb原子裸露的LiNbO3表面由于和MoSe2纳米膜间存在较多的电荷转移而对其能带结构有较大影响,而H原子钝化的LiNbO3表面由于和MoSe2纳米膜间没有电荷转移而对其能隙几乎没有影响。本文的研究丰富了对这一系列二维LTMD新材料的认识,对于扩展二维LTMD纳米材料在电子、光电子等纳米器件方面的应用提供了必要的理论依据,有助于这些器件的组装及设计
【作者】苏向英；
【导师】郭崇峰；张殿琳；
【作者基本信息】西北大学，凝聚态物理，2014，博士
【关键词】第一性原理；二维材料；层状过渡金属硫属化合物；能带调控；

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