二维过渡金属硫族化合物及其异质结的第一性原理研究

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二维材料是近来发现的一类新型材料,其在光电转换、热电转换、传感、催化等领域都具有广泛的潜在应用,深入研究其电子结构及光学性质,进而找到有效的方法调控其性能,在科研和应用方面都具有极其重要的意义。本论文使用第一性原理计算研究了层间堆叠方式对双层硒化铂电子性质及输运性质的调控机制以及对拉曼振动模式的影响;构建硒代亚磷酸锰/碲化钼、硒代亚磷酸锰/硫化钨异质结,探索外电场或外应力对其电子结构的影响。主要研究内容如下:(1)选择适用于1-4层硒化铂层状结构的范德瓦尔斯(vd W)修正方法,通过比较晶格常数、体系总能量及带隙值,表明opt B86b泛函是合理的vd W修正方法;六种不同堆叠方式被用来调控双层硒化铂的电子性质,计算得到的形成能和声子色散谱图证实最稳定的堆叠方式是1T相;不同的堆叠方式导致的带隙变化范围是0.31 e V-0.95e V;双层硒化铂的空穴有效质量容易受层间堆叠方式调控,但是电子有效质量却较难被调控;计算了拉曼光谱并同实验比较,分析了其振动性质,发现不同的堆叠方式对低能区域的层间振动有着显著的影响。(2)构建单层的MnPSe3/MoTe2异质结,形成导带底在MnPSe3层、价带顶在MoTe2层的Ⅱ类异质结,其大小为0.12 e V的直接带隙,异质结的声子色散谱图无虚频,说明具有动力学稳定性。MnPSe3/MoTe2异质结在紫外和可见光谱范围内都有很好的吸收性能,光吸收系数约为1.3×105 cm-1,同时异质结拓宽了MnPSe3的吸收光谱范围。MnPSe3/MoTe2的带隙大小与外电场强度呈线性关系,负向电场可实现半导体向半金属性质的转变,当电场强度达到0.7 V/?时异质结带隙值可达到0.91 e V,在外电场强度为-0.15-0.7 V/?范围内,MnPSe3/MoTe2仍保持反铁磁态。异质结对面内双轴应力极其敏感,很小的应力就会导致异质结转变成金属性质且结构发生变形;垂直平面的外应力也可调控异质结的带隙,异质结带隙随着压应力的增大而增大,随着拉应力的增大而减小,当层间距拉伸至约4.5?时可实现半导体-半金属的转变。(3)构建MnPSe3/WS2异质结的模型,计算研究了其能带结构,态密度、光学性质;研究了外加电场对异质结电子结构及光催化性质的影响。在外电场强度为-0.9-1.0V/?范围内,异质结带隙随外加电场强度呈线性变化,-0.3-0.4 V/?范围内,仍然可能保持光催化性质。
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