2024年2月26日发(作者：须水丹)
二维过渡金属硫族化合物MX2(M=Mo,W;X=O,S,Se,Te)电子结构和弹性性质的第一性原理研究
石墨烯作为世界上已知的最薄最坚硬的纳米材料,其优异的特性,如极高的热导、常温下极高的电子迁移率等,让它成为了本世纪初最火热的课题之一。然而它禁带宽度为0的能带结构也成为了它的“瑕疵”,并阻碍了它的应用。
例如在场效应管方面,由石墨烯做成的场效应管无法快速地断开,而且它的电流通/断转换速率较低。作为新型二维材料的一员,二维过渡金属硫族化合物(TMDCs)的发现,很好地补充了石墨烯这方面的不足。
二维过渡金属硫族化合物是一种由过渡金属原子和硫族原子形成的具有类石墨烯六角蜂巢的准二维结构层状材料。研究表明,不同于0禁带宽度的原始石墨烯,许多单层的二维过渡金属硫族化合物具有一个1~2eV的禁带宽度。
这让它们在电子器件和光致发光方面有着不错的应用前景。然而,由于材料的尺寸以及制取工艺等原因,通过实验方法来获得很多二维材料的性质将变得非常困难。
因此可以从理论上对二维材料性质的研究,为它的应用提供理论依据。本文主要是利用基于密度泛函理论的第一性原理计算方法研究了八类过渡金属硫族化合物单层和双层结构的电子性质和力学性质,同时采用不同的计算泛函来研究不同计算方法对计算结果的影响。
然后研究双层堆叠对结构和性质的影响。并进行了不同泛函下双层材料电子性质和力学性质的对比。
具体内容如下:1.首先我们需要对八种2H形态的MX2(其中M=Mo,W;X=O,S,Se,Ts)形式的单层过渡金属而硫化物的结构进行确定,因此我们
利用第一性原理计算对初始模型进行了优化,得到了它们的能量最低稳定结构。然后对这些优化结构的单层TMDCs进行了电子结构的计算,得出了它们的能带结构。
能带结构表明,八种单层TMDCs都具有半导体性质,而且除了氧化物外,其他六种都在k点处有直接带隙。其次为了分析同类单层材料之间带隙和杨氏模量变化规律的内在机制,我们进行了巴德电荷分析。
最后分别用LDA,PBE,opt B88方法计算出了它们的杨氏模量和泊松比等参数。通过对获得单层结构与石墨烯在理论计算上杨氏模量和泊松比的值得对比,发现了单层TMDCs材料具有优秀的力学性质。
2.利用第一性原理计算研究了双层结构的性质以及单层结构的双层堆叠对性质的影响。同样首先对结构进行了优化。
然后对八种双层TMDCs在AA1堆叠方式下的电子结构进行了研究。得出了它们的能带结构。
能带结构表明,除氧化物和双层WTe2外,其它TMDCs由单层堆叠为双层都会导致能带结构充直接带隙到间接带隙的转变。同时我们还发现双层的堆叠会导致禁带宽度的减小。
最后我们对八种双层TMDCs在五种不同构型下的力学性质进行了分析。通过计算我们发现,堆叠方式的不同对双层结构杨氏模量的影响不大。
而对双层结构杨氏模量的数据分析我们发现,在我们计算中,双层结构直接的层间耦合可以忽略。
2024年2月26日发(作者：须水丹)
二维过渡金属硫族化合物MX2(M=Mo,W;X=O,S,Se,Te)电子结构和弹性性质的第一性原理研究
石墨烯作为世界上已知的最薄最坚硬的纳米材料,其优异的特性,如极高的热导、常温下极高的电子迁移率等,让它成为了本世纪初最火热的课题之一。然而它禁带宽度为0的能带结构也成为了它的“瑕疵”,并阻碍了它的应用。
例如在场效应管方面,由石墨烯做成的场效应管无法快速地断开,而且它的电流通/断转换速率较低。作为新型二维材料的一员,二维过渡金属硫族化合物(TMDCs)的发现,很好地补充了石墨烯这方面的不足。
二维过渡金属硫族化合物是一种由过渡金属原子和硫族原子形成的具有类石墨烯六角蜂巢的准二维结构层状材料。研究表明,不同于0禁带宽度的原始石墨烯,许多单层的二维过渡金属硫族化合物具有一个1~2eV的禁带宽度。
这让它们在电子器件和光致发光方面有着不错的应用前景。然而,由于材料的尺寸以及制取工艺等原因,通过实验方法来获得很多二维材料的性质将变得非常困难。
因此可以从理论上对二维材料性质的研究,为它的应用提供理论依据。本文主要是利用基于密度泛函理论的第一性原理计算方法研究了八类过渡金属硫族化合物单层和双层结构的电子性质和力学性质,同时采用不同的计算泛函来研究不同计算方法对计算结果的影响。
然后研究双层堆叠对结构和性质的影响。并进行了不同泛函下双层材料电子性质和力学性质的对比。
具体内容如下:1.首先我们需要对八种2H形态的MX2(其中M=Mo,W;X=O,S,Se,Ts)形式的单层过渡金属而硫化物的结构进行确定,因此我们
利用第一性原理计算对初始模型进行了优化,得到了它们的能量最低稳定结构。然后对这些优化结构的单层TMDCs进行了电子结构的计算,得出了它们的能带结构。
能带结构表明,八种单层TMDCs都具有半导体性质,而且除了氧化物外,其他六种都在k点处有直接带隙。其次为了分析同类单层材料之间带隙和杨氏模量变化规律的内在机制,我们进行了巴德电荷分析。
最后分别用LDA,PBE,opt B88方法计算出了它们的杨氏模量和泊松比等参数。通过对获得单层结构与石墨烯在理论计算上杨氏模量和泊松比的值得对比,发现了单层TMDCs材料具有优秀的力学性质。
2.利用第一性原理计算研究了双层结构的性质以及单层结构的双层堆叠对性质的影响。同样首先对结构进行了优化。
然后对八种双层TMDCs在AA1堆叠方式下的电子结构进行了研究。得出了它们的能带结构。
能带结构表明,除氧化物和双层WTe2外,其它TMDCs由单层堆叠为双层都会导致能带结构充直接带隙到间接带隙的转变。同时我们还发现双层的堆叠会导致禁带宽度的减小。
最后我们对八种双层TMDCs在五种不同构型下的力学性质进行了分析。通过计算我们发现,堆叠方式的不同对双层结构杨氏模量的影响不大。
而对双层结构杨氏模量的数据分析我们发现,在我们计算中,双层结构直接的层间耦合可以忽略。