层错、位错及Stone-Wales缺陷对MoS2纳米带电子和光学性质影响的第一性原理研究

论文摘要

过渡金属硫化物由于其优良的机械柔韧性、热稳定性、独特的催化性以及电子、光学性质,在柔性器件、电子学、光催化以及光探测器等方面有着广泛的应用。但在材料生长过程或使用中,不可避免地会产生一些缺陷,而这些缺陷将会影响其物理性质从而影响材料的性能。因此缺陷对二维材料性质的影响也得到了极大的重视。本文利用第一性原理计算方法,研究了层错、SW缺陷和位错等缺陷对MoS2纳米带电子和光学性质的影响,为其在光电子学方面的应用提供了理论计算基础。本文的主要研究内容如下:基于第一性原理方法,研究了单层错对MoS2单层以及扶手型MoS2纳米带的电子结构的影响。结果表明:对于MoS2单层,其带隙会随着层错密度（=1/7）（l=5,7,9,11和13）)的减小而增加,并且会收敛于0.27 eV,小于完美的MoS2单层的带隙（1.76 eV）;对于MoS2纳米带,层错会减小其带隙,并在纳米带宽度≤18时呈上升曲线,纳米带宽度≥18时表现出轻微的下降。且带有层错的纳米带的带隙都小于完美纳米带的带隙。为了说明带隙的减小是由层错引起的,我们计算了部分电荷密度分布。结果发现,在禁带中费米能级附近出现了缺陷带,并且此缺陷带来源于引入的缺陷。因此,层错引入的缺陷带造成了MoS2纳米带带隙的减小。研究多层错对MoS2纳米带电子和光学性质的影响。结果表明,双层错和四层错MoS2纳米带的带隙会随着纳米带宽度的增加而逐渐接近于0 eV。其中,对于双层错MoS2纳米带,会出现类似Dirac点,与石墨烯在费米能级附近的能带结构相似。而对于单层错和三层错的MoS2纳米带的带隙随着宽度的增加分别收敛于0.46eV和0.36 eV。有层错的纳米带带隙均比完美纳米带带隙小,而部分电荷密度分布也表明禁带中的缺陷能级来源于层错。同时,也计算了光学响应,如介电函数,吸收谱,反射谱和电子能量耗散谱。MoS2单层的光学结果与以前的结果符合较好。完美扶手型MoS2纳米带介电函数虚部的峰值为2.8,4.0和5.4 eV,而带有层错的纳米带介电函数的虚部的峰值为2.8和5.4 eV,且此峰值独立于纳米带宽度。而电子能量耗散谱的峰值由于层错的引入会向更大波长的方向移动（红移）。研究Stone-Wales缺陷对扶手型MoS2纳米带电子和光学性质的影响。对于OH饱和的SW-2在边缘的纳米带,其结构是不稳定的,弛豫后会回到完美结构,对于其他结构则会稳定存在。SW缺陷的引入会降低纳米带的带隙。对于SW-1缺陷,其在纳米带中心的带隙比在纳米带边缘的带隙大。对于SW-2缺陷,其在纳米带中心的带隙小于在纳米带边缘的带隙。OH饱和的纳米带带隙大于H饱和的纳米带带隙。部分电荷密度分布表明缺陷能级来源于SW缺陷。同时也研究了SW的光学响应,如介电函数,吸收谱,反射谱和电子能量耗散谱。光学结果表明,有SW缺陷的扶手型纳米带介电函数的实部在频率为0时大于完美的纳米带。而且带有SW缺陷的扶手型纳米带具有较高的太阳能转换效率,可以作为一种施主材料应用在太阳能电池方面。研究位错对对锯齿形MoS2纳米带气体分子吸附性质的影响。位错的引入增大了锯齿形MoS2纳米带的磁矩,从5增加到10。另外气体分子在位错附近的吸附显著加强,并且属于物理吸附。因此,这对于在气体分子传感器方面的应用提供了理论参考。

论文目录

文章来源

类型: 博士论文

作者: 徐伟伟

导师: 王蜀霞,吴小志

关键词: 纳米带,缺陷,电子结构,光学性质,第一性原理

来源: 重庆大学

年度: 2019

分类: 基础科学

专业: 物理学

单位: 重庆大学

分类号: O469

DOI: 10.27670/d.cnki.gcqdu.2019.000348

总页数: 99

文件大小: 6013k

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