【摘 要】
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近年来,市场对便携可穿戴电子设备的需求越来越大,急需设计和制造柔性锂电池,尤其是柔性电极材料。过渡金属二硫化物以及三磷化锗（GeP3）具有与石墨烯相当或更好的力学、光学、电化学、热学和电子性质。基于过渡金属二硫化物和其他层状化合物来构建具有优异性质的新型异质结成为目前研究热点。本文构建基于过渡金属二硫化物MX2（M=W、Mo、Nb;X=S、Se、Te）和GeP3的新型异质结,采用密度泛函理论的第一
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近年来,市场对便携可穿戴电子设备的需求越来越大,急需设计和制造柔性锂电池,尤其是柔性电极材料。过渡金属二硫化物以及三磷化锗（GeP3）具有与石墨烯相当或更好的力学、光学、电化学、热学和电子性质。基于过渡金属二硫化物和其他层状化合物来构建具有优异性质的新型异质结成为目前研究热点。本文构建基于过渡金属二硫化物MX2（M=W、Mo、Nb;X=S、Se、Te）和GeP3的新型异质结,采用密度泛函理论的第一性原理计算方法,系统研究了GeP3/MX2异质结的晶体结构、电子结构、光学性质、力学性质以及锂吸附行为等,探索其在光学器件和柔性锂电池阳极材料领域中的潜在应用。主要研究结果如下:对于过渡金属二硫化物WSe2、MoSe2、WTe2和MoTe2,随着层数的递减,能带结构从块体的间接带隙半导体到单层直接带隙半导体,带隙值逐渐增大。块体材料的带隙位于红外区域,而将材料厚度尺寸减小到单层极限时,则使带隙向近红外或可见光区域移动,表明这类材料具有作为光电器件应用的潜力。而单层Nb S2和Nb Se2,其费米能级穿过一条能带,呈现金属特性。单层的GeP3为间接带隙半导体,GeP3与过渡金属二硫化物单层之间具有良好的晶格匹配性,且形成能为负值,可搭建稳定的GeP3/MX2异质结。GeP3/MoTe2异质结的导带底穿过费米能级,呈金属特性。GeP3/WSe2、GeP3/MoSe2和GeP3/WTe2异质结为间接带隙半导体,增强了单层体系的光学优势,提高并改善了在紫外光区和可见光区的光学性质。因此,异质结体系可以突破二维材料的局限性,拓宽其在光电器件领域的应用。金属特性的GeP3/Nb X2（X=S、Se）异质结相比于Nb X2,引入了较多杂质态能级。这些新生成的电子态可以直接参与到材料电导过程,减小了电子从价带顶跃迁到导带底途中所需要克服的能垒,极大地提高Nb X2的电导性。GeP3/Nb X2异质结层间存在电荷转移,相邻两层间除了范德瓦尔斯作用外还有小部分离子相互作用。GeP3、Nb X2单层以及GeP3/Nb X2异质结为各向同性,与其他各向同性二维材料相比,如石墨烯和氮化硼,GeP3/Nb X2异质结因具有更小的杨氏模量而具有更优越的柔韧性。GeP3/Nb S2异质结的锂存储容量为447.047 m Ah/g,优于石墨（372 m Ah/g）阳极材料。总之,从综合性能考虑,GeP3/Nb X2异质结具有良好的结构稳定性、导电性和全向柔性,是理想的便携锂离子电池柔性电极材料。
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