碱金属掺杂单层MoSSe和MoSi2N4的第一性原理研究

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单层MoSi2N4和MoSSe由于具有独特的物理与化学性质,使其受到科研工作者的广泛关注。本文采用第一性原理方法,将碱金属以不同的方案分别掺杂到两种不同新型二维材料(单层MoSSe和MoSi2N4)的表面,探究在不同方案下这两种材料光电性质的变化规律,具体研究如下:第一,研究了碱金属掺杂单层MoSSe后,材料电子结构、光学性质的变化。我们通过计算形成能的大小以及掺杂前后键长变化,研究碱金属掺杂后材料的稳定性,结果表明掺杂体系都是稳定的。但是,其稳定性也会随着掺杂浓度的提高而变差。其中Li原子掺杂情况展现出最好的稳定性,所以我们着重研究了Li原子以不同的浓度分别掺杂于MoSSe的S和Se面所带来的影响。通过能带结构和态密度的研究发现,Li掺杂后能在单层MoSSe禁带中引入杂质能级,从而使它由直接带隙半导体变为间接带隙半导体,并减小了禁带宽度,本征单层MoSSe的带隙为1.74 e V,当3个Li原子取代S原子或Se原子后,材料的禁带宽度分别降至0.87e V和0.52 e V。光学研究表明Li的掺杂,弥补了本征单层MoSSe在红外光区吸收能力较弱的不足,并增强了可见光的吸收率,有利于该材料更充分利用太阳能。第二,研究了碱金属掺杂单层MoSi2N4材料后,材料的电子结构、光学性质和光催化性能的变化。首先,通过计算材料表面碱金属的吸附能的大小,研究了不同位置的吸附能和稳定性。结果表明,碱金属吸附的单层MoSi2N4系统是稳定的,并且Mo原子的垂直上方(TMo)是最稳定的吸附位。所以我们着重研究了在TMo位置上吸附Li、Na、K原子后,对材料性质的影响。电子结构研究表明,碱金属的吸附使得单层MoSi2N4带隙减小,从本征时的1.89 e V分别减小到1.75 e V(K),1.73 e V(Li),1.61e V(Na)。态密度分析,解释了带隙减小的原因,即掺杂导致了Si 3p电子轨道下移,致使带隙变小。另外,三种掺杂剂均使单层MoSi2N4功函数降低,由本征时的4.80 e V,分别减小到2.03 e V(Na)、1.50 e V(Li)和1.43 e V(K)。光学性质研究发现,碱金属的吸附,增强了单层MoSi2N4可见光内的吸收系数,且拓展了其光吸收范围,对红外光区的光吸收能力也显著增强。通过光催化研究,表明吸附Li和Na的单层MoSi2N4,在光催化分解上有很好的应用前景。同时,Li吸附的MoSi2N4单层显示出光催化还原CO2的巨大潜力。本文相关研究将为设计新型光电材料提供理论指导。
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