【摘 要】
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从2004年石墨烯被成功制备开始,二维材料已经成为凝聚态物理最热门的研究方向之一。二维材料通常只有单层或少数几层原子的厚度,这种特殊的结构使得二维材料有着许多传统材料中没有的优异性质,体现在电学、光学、力学等各种方面。另一方面,传统化石能源的资源逐渐枯竭,并且伴随着环境污染等问题。金属离子电池被认为是一种很有前途的能源存储装置。二维材料极大的比表面积很适合金属离子的吸附和快速扩散,同时二维材料优异
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从2004年石墨烯被成功制备开始,二维材料已经成为凝聚态物理最热门的研究方向之一。二维材料通常只有单层或少数几层原子的厚度,这种特殊的结构使得二维材料有着许多传统材料中没有的优异性质,体现在电学、光学、力学等各种方面。另一方面,传统化石能源的资源逐渐枯竭,并且伴随着环境污染等问题。金属离子电池被认为是一种很有前途的能源存储装置。二维材料极大的比表面积很适合金属离子的吸附和快速扩散,同时二维材料优异的机械性能也有利于延长电池循环寿命。本文中,首先在第一章介绍了二维材料以及金属离子电池的研究现状以及所面临的问题。接着第二章介绍了本文的研究中所用的基础理论和计算细节。最后在第三到第六章中设计了两种二维材料,研究了他们的基本性质,并对这两种二维材料作为负极材料的性能进行了探索。本文具体研究内容如下:（1）通过自下而上的方法将SiH3SSiH3的Si-S-Si骨架有序排列,成功设计了一种新型二维硅基硫化物Si2S。证明了其优异的热学、力学、动力学稳定性。二维Si2S是一种带隙为1.93e V的间接带隙半导体,在应变的作用下可以实现间接带隙到直接带隙的转变。其载流子迁移率最高可达182.72 cm~2 V-1 s-1。与二维Mo S2相当的带隙值和载流子迁移率使其有望被应用于纳米电子学等领域。二维Si2S的光吸收特性表明其对紫外光有着可观的吸收作用。机械性质的计算结果显示出其较柔软的特性,使得二维Si2S成为一种在柔性电子学领域很有前途的材料。（2）研究了二维Si2S作为钠/钾离子电池负极材料的性能。较大的吸附能表明二维Si2S能够紧密地吸附钠/钾原子。吸附后的体系表现出金属性,这确保了材料在电池循环过程中的导电性。钠和钾在二维Si2S上最低扩散势垒仅为0.04和0.53 e V,这意味着快速的充放电效率。二维Si2S能够等比例地吸附钠/钾原子,计算得到了可接受的最大比容量303.73 m A h g-1。通过分子动力学模拟证明了吸附钠/钾原子后体系的稳定性。钠和钾吸附体系的平均电极电位分别为0.54和0.66 V,在负极材料的适当范围之内。以最大浓度吸附钠/钾原子后,二维Si2S有着较小的体积变化,这有利于延长使用寿命。（3）预测了一种新型二维锗基硫化物Ge2S,并研究了其稳定性以及电学、力学等性质。二维Ge2S有着良好的热力学和动力学稳定性。与黑磷烯相当的间接带隙（1.59 e V）和载流子迁移率(800.5 cm~2V-1s-1)表明二维Ge2S具有应用于纳米光电器件的潜力。光吸收的研究结果表明二维Ge2S对紫外光有较好的吸收效果。重要的是,在二维Ge2S中出现了极为特殊的负泊松比性质,其较大的面内负泊松比使其在新型纳米器件中有着广泛的应用前景。（4）研究了二维Ge2S作为钠/钾/镁离子电池负极材料的性能。二维Ge2S能够稳固地吸附钠/钾/镁原子,吸附后金属离子与二维Ge2S之间有着显著的电荷转移。钠/钾/镁离子在二维Ge2S上倾向于沿x方向扩散,计算得到的最低扩散势垒分别为0.12、0.36和0.76 e V。二维Ge2S能够以1:1的比例吸附钠/钾/镁原子。通过分析形成能凸包图证明了最大浓度吸附体系的稳定性。钠、钾和镁的平均电极电位在0.30-0.7 V的范围内,这有利于最大化功率密度。在钠/钾/镁的吸附过程中,二维Ge2S有着较小的体积变化,确保了良好的循环稳定性。
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