ZnS具有化学性质较稳定、抗光腐蚀、成本低等特点,而纯的ZnS带隙较宽,只能吸收太阳光的紫外部分,导致太阳光的光催化活性和利用效率较低;MoS2是类似于石墨烯的层状半导体材料,由于量子限域效应,单层MoS2不同于体材料具有独特的光学、电学性质而存在更大应用价值,然而单层MoS2是禁带宽度为1.8 eV的直接带隙半导体。半导体的带隙很大程度上影响半导体的光吸收能力和氧化还原能力。研究表明,掺杂可以减小带隙,使吸收带边延伸至可见光区。本文采用第一性原理研究了:(一)ZnS掺杂非金属元素、金属元素和共掺杂对电子结构和光学性能的影响,取得了以下几个研究结果:(1)研究了 Cu和V等金属元素掺杂对ZnS电子结构和光学性质的影响。发现掺杂VZn、CuZn后由于原子半径和电负性的影响,晶格常数分别变大和变小。CuZn-ZnS形成能在四种单掺模型中最小,其失真和平衡结构以及系统能量改变也较小,保证结构的稳定性。(2)研究了 F和N等非金属元素掺杂对ZnS电子结构和光学性质的影响。发现掺杂N后ZnS形成能变为5.66 eV,则替换的位置不合适,表明N可能更适合间隙位置。ZnS出现了晶体结构的畸变、带隙减小,但是掺杂系统的差别不是很大。(3)研究了 CuZnFs-ZnS和VZnNs-ZnS等元素共掺杂对ZnS电子结构和光学性质的影响。发现掺杂后带隙减小,对CuZnNs-ZnS而言N2p和Cu3d出现在价带顶,使CuZnNs-ZnS吸收边界延伸到长波区域。以CuZnFs-ZnS为例的供体-受体钝化共掺,Cu 3d轨道与S3p态在价带顶杂化,而F 2s和Zn 4s杂化在导带底。缺陷能级和主相位能级的共振使得带隙减少32%(1.41 eVvs.2.06 eV)。这样共掺杂后的ZnS吸收光谱延伸至可见光区域(<492 nm)。(二)MoS2掺杂非金属元素、金属元素和共掺杂对电子结构和光学性能的影响,取得了以下几个研究结果:(1)研究了 Nd等金属元素掺杂对MoS2电子结构和光学性质的影响。发现掺杂后由于Nd原子电负性大于Mo原子,晶格常数的变化最大。导带中最低能级均匀分布在临近的六个Mo原子上,而价带中最高能级分布在六个Mo和Nd原子上,有利于提高光催化活性。(2)研究了 F、Cl、Br和I等非金属元素掺杂对MoS2电子结构和光学性质的影响。发现卤族元素掺杂后,晶格常数改变不同于原子序数增加。Fs晶格常数变小源于F电负性较大,其他三个系统晶格常数变大主要是原子半径较大。(3)研究了 Nd、F,Nd、Cl,Nd、Br和Nd、I等元素共掺杂对MoS2电子结构和光学性质的影响。发现掺杂后带隙减小,Nd、F共掺时导带底的能级较平而费米能级以下分散,降低了电子空穴对的重组率;价带最高能级非域化在Nd原子附近,而导带底部的能级主要由Mo 4d态和少量F2p混合组成,进一步表明ms*/mh*值大有利于光生电荷载体的分离。最重要的是,价带顶的电子通过捕获光子得到足够的能量(>1.38 eV)而进入两个Mo原子即两个钼原子与掺杂剂F连接处成为光催化反应过程中活跃点。第一次证明1H-MoS2的催化活性可以通过电荷补偿共掺。