低维过渡金属硫属化合物的电子性质及调控.pdf

江苏高校品牌专业建设工程资助项目 低维过渡金属硫属化合物的 电子性质及调控 苏向英 著 内 容 简 介 本书是作者近年来在对低维过渡金属硫属化合物材料的有关研究的基础上撰写而成的，系统地介绍了低维过渡金属硫属化合物的电子性质及调控。全书共分 8 章：前两章介绍了二维材料（特别是二维过渡金属硫属化合物）的研究背景及理论方法，第 3 章介绍了二维过渡金属硫属化合物纳米膜的电子性质及应力对其电子性质的调控，第 46 章介绍了二维过渡金属硫属化合物自组装杂化结构的性质，第 78 章研究了衬底对过渡金属硫属化合物的影响。本书可供相关低维材料领域的科技工作者参考，也可作为高等院校相关专业的本科生和研究生的参考书。未经许可，不得以任何方式复制或抄袭本书之部分或全部内容。版权所有，侵权必究。图书在版编目(CIP)数据 低维过渡金属硫属化合物的电子性质及调控/苏向英著.北京：电子工业出版社，2017.9 ISBN 978-7-121-32260-0 I低 II苏 III过渡金属化合物研究 IVO614 中国版本图书馆 CIP 数据核字（2017）第 173970 号 策划编辑：王晓庆 责任编辑：王晓庆 印 刷：装 订：出版发行：电子工业出版社 北京市海淀区万寿路 173 信箱 邮编：100036 开 本：7871 092 1/16 印张：7.75 字数：198 千字 版 次：2017 年 9 月第 1 版 印 次：2017 年 9 月第 1 次印刷 定 价：55.00 元 凡所购买电子工业出版社图书有缺损问题，请向购买书店调换。若书店售缺，请与本社发行部联系，联系及邮购电话：(010)88254888，88258888。质量投诉请发邮件至 ，盗版侵权举报请发邮件至 。本书咨询联系方式：。前 言 二维材料是指具有零点几纳米到几纳米厚度（原子或分子层厚度的尺度）和无限平面尺寸的纳米薄膜，也可以称为二维原子薄膜，是迄今为止最薄的功能纳米材料。石墨烯由于其独特的结构和电子特性，成为近年来研究最为广泛的二维材料。随着石墨烯的广泛研究，探寻其他新型低维晶体材料（如 BN、金属硫属化合物、过渡金属氧化物等）已经成为低维材料研究领域的前沿课题。在此过程中，层状过渡金属硫属化合物（TMDCs）由于独特的结构特征及本征的带隙受到广泛关注。因具有独特的力、热、电、光等性质，低维 TMDCs 材料在未来几年甚至十几年内都将成为物理、化学、生物等领域研究的热点，并且在能源转换、生物催化、柔性电子器件、感应器等领域将有着无限可能的应用。而深入理解 TMDCs 材料的电子性质，并能够通过不同方法对其性能进行调控，对基于低维 TMDCs 材料电子器件的制备具有非常重要的意义。本书首先介绍不同种类低维材料（特别是二维 TMDCs）的研究背景，然后介绍计算中用到的相关理论基础。后面的章节主要介绍作者近年来的研究结果，主要探讨低维TMDCs 材料的电子结构及通过施加应力、组建异质结和超晶格、引入衬底的方式对其电子结构进行调控。说明：因彩色图片进行纸张印刷后呈黑白色，故将书中涉及的彩色图片文件进行整理，读者可用手机扫描阅读。正文中保留对彩色图片的文字描述，读者可对照阅读。本书是在河南科技大学物理工程学院苏向英老师近年来对低维TMDCs 材料的电子性质及调控的研究基础上撰写而成的。本书的相关研究和分析工作得到了河南科技大学的大力支持。本书的出版得到了河南科技大学博士科研启动基金的资助。在此表示深深的感谢。本书在撰写过程中参考的相关文献，已在每章后列出，如有疏漏，敬请海涵，在此，对相关学者表示衷心的感谢。由于作者水平有限，书中难免存在错误和不当之处，敬请专家、学者和读者批评指正。苏向英 2017 年 8 月 于河南科技大学图书馆 书中彩色高清图片 目 录 第 1 章 绪论 1 1.1 Free Standing 的二维材料 1 1.1.1 石墨烯简介 1 1.1.2 氮化硼（BN）的研究 2 1.1.3 二维硫属化合物的分类及结构 3 1.1.4 其他二维材料 4 1.2 二维硫属化合物材料的制备及应用 5 1.2.1 二维硫属化合物纳米材料的制备 5 1.2.2 二维硫属化合物纳米材料的应用 8 1.3 二维过渡金属硫属化合物性质的实验研究 11 1.3.1 力学性质 11 1.3.2 光学性质 13 1.4 二维过渡金属硫属化合的第一性原理计算 14 1.4.1 电子结构 14 1.4.2 声子结构 15 1.4.3 磁性特征 15 1.4.4 外加应力和电场的作用 16 1.4.5 合金（Alloys）材料 18 1.4.6 异质结构和复合材料 18 1.4.7 界面特性 19 1.5 寻找新的二维材料 20 参考文献 21 第 2 章 理论方法和计算软件 27 2.1 密度泛函理论 27 2.1.1 绝热近似 27 2.1.2 Hartree-Fock 近似 29 2.1.3 Thomas-Fermi-Dirac 理论 30 2.1.4 Hohenberg-Kohn 定理 31 2.1.5 自洽 Kohn-Sham 方程 32 2.1.6 交换关联泛函 35 2.2 计算软件简介 37 VI参考文献 37 第 3 章 应力对二维过渡金属硫属化合物纳米膜电子结构的影响 41 3.1 引言 41 3.2 平面双轴应力对多层 MX2的影响 42 3.2.1 计算方法和模型 42 3.2.2 结果和讨论 44 3.3 垂直压应力对多层 MX2的影响 48 3.3.1 计算方法和模型 48 3.3.2 结果和讨论 49 3.4 本章小结 52 参考文献 53 第 4 章 过渡金属硫属化合物异质结的电子性质及调控 55 4.1 引言 55 4.2 计算模型和方法 56 4.2.1 计算模型 56 4.2.2 计算方法 56 4.3 平衡状态下异质结的电子结构 57 4.3.1 最优几何结构 57 4.3.2 电子结构 58 4.4 面内双轴应力对异质结电子结构的调控 59 4.5 法向压应力对异质结电子结构的调控 62 4.6 本章小结 64 参考文献 64 第 5 章 过渡金属硫属化合物纳米膜超晶格量子阱特性研究 67 5.1 引言 67 5.2 计算模型和方法 69 5.2.1 计算模型 69 5.2.2 计算方法 69 5.3 超晶格的最优结构及稳定性 72 5.3.1 超晶格的最优结构 72 5.3.2 超晶格的稳定性 73 5.4 量子阱的形成及其电子结构特征 74 5.4.1 量子阱的形成 74 5.4.2 MoS2/WSe2量子阱的能带结构特征 76 5.4.3 界面间的电荷转移情况 79 5.5 应力对量子阱的影响 79 VII5.6 2MoS2/2WSe2量子阱特性 81 5.7 本章小结 83 参考文献 84 第 6 章 MoS2基面内超晶格的电子性质及调控 87 6.1 引言 87 6.2 计算模型和方法 88 6.2.1 计算模型 88 6.2.2 计算方法 88 6.3 面内超晶格的结构稳定性 89 6.4 面内超晶格的电子性质 90 6.5 面内双轴应力对超晶格电子性质的调控 91 6.6 本章小结 95 参考文献 96 第 7 章 SiO2衬底对单层 MoS2电子性质的影响 99 7.1 引言 99 7.2 计算模型和方法 99 7.2.1 计算模型 99 7.2.2 计算方法 100 7.3 MoS2/SiO2结构的稳定性 100 7.4 MoS2/SiO2的电子结构 102 7.5 本章小结 105 参考文献 105 第 8 章 LiNbO3衬底对单层和双层 MoSe2电子性质的影响 107 8.1 引言 107 8.2 计算模型和方法 107 8.2.1 计算模型 107 8.2.2 计算方法 108 8.3 MoSe2/LiNbO3和 2MoSe2/LiNbO3结构的稳定性 109 8.4 MoSe2/LiNbO3和 2MoSe2/LiNbO3的电子结构 110 8.5 本章小结 113 参考文献 113 第 1 章 绪 论 二维材料在微观上，沿着二维的方向，原子间的结合比较相似，而且为化学键等其他强键作用，弱键作用或者范德华力则作用在其他三维方向上，二维材料从而成为在二维方向上无限扩展的同时在第三个维度上生长受限的材料。宏观上，二维材料（特别是二维类石墨烯材料）在水平面上具有无限拓展空间的同时，在竖直方向上仅有一层或者几层原子层。这种体系由于电子限制在二维方向运动，会具有一些独特的性质，从而使其在纳米电子、光电子器件等领域有着巨大的应用价值。1.1 Free Standing 的二维材料的二维材料 1.1.1 石墨烯简介 毫无疑问，石墨烯是近年来纳米科学技术研究领域最热的课题之一。2004 年，盖姆和诺沃索洛成功从石墨中剥离出单层的石墨烯1，不仅证实了孤立的二维纳米超薄膜可以在室温环境下稳定存在，此后也将许多研究工作者带入了二维纳米科技的研究领域，掀起了二维材料研究的狂潮。石墨烯是一种平面单层紧密打包成一个二维（2D）晶格的碳原子，碳原子以sp2杂化轨道呈蜂巢晶格，石墨烯结构非常稳定，碳碳键长仅为 1.42，其结构如图 1.1 所示。图 1.1 石墨烯的结构 由于二维平面对电子的限制，石墨烯有着不同于石墨的电子结构。众所周知，石墨烯表现为零带隙的金属特性，其载流子显示出独特的狄拉克费米子行为，在狄拉克点附近，其电子的能量与动量呈线性色散关系。零带隙的特性也限制了石墨烯在半导体电子器件方面的应用，尝试打开石墨烯的带隙也已成为一个研究分支。理论研究表明，通过外加电场、机械应变、边缘修饰、功能化表面等方法都可以有效地调节石墨烯的能带结构25。例如，Y.Zhang 等人5报道了外加的电场可以打开双层石墨烯的带隙，而且带隙变化可逆，大小可以连续调到 250meV。一些实验和理论研究也都证明石墨烯的光学、声子和电子特征可以被 12%20%范围的力学应变所调控。低维过渡金属硫属化合物的电子性质及调控 2 由于其独特的电子结构，石墨烯表现出了许多三维材料不曾有的优异性能。例如，它具有 1TPa 的拉伸模量6，是人类已知测量过的强度最高的物质；导热系数高于3000W/mK7；室温下，数值超过 2.5 105cm2V1s1的高电子迁移率8（理论上限9约为 2105cm2V1s1）；光吸收2.3%10等。这些突出的性能保证了石墨烯无限的实际应用价值，它也已经成为应用于新一代纳米器件的最有潜力的材料。1.1.2 氮化硼（BN）的研究 六角氮化硼（h-BN）与石墨同构型，单层的h-BN和石墨烯具有相似的结构，被称为“白石墨烯”。在h-BN层内，N原子和B原子交替构成蜂窝状结构，N和B原子间以sp2键结合为强的共价键，而层间以较弱的范德华力相结合，其层状结构如图1.2所示。虽然h-BN与石墨有着相似的几何结构特征，但是它们的电子结构却完全不同：石墨为零带隙的半金属，而h-BN却具有5.97eV的能隙，是一种绝缘体（或者称为宽带隙的半导体）。图 1.2 层状 BN 的结构 近年来，二维h-BN纳米膜也得到了广泛的研究。类似于石墨烯，单层和多层h-BN原子薄膜也展现出与体材料不同的性质。化学气相沉积法在铜箔表面上制得的单层h-BN膜的光学带隙大约为6.07eV，稍大于体材料和多层纳米膜的带隙，这主要是因为单层膜缺失了层间的耦合作用。h-BN纳米膜的电子结构也可以通过边缘修饰、外加电场、机械应变、功能化表面等方法进行调控。例如，不考虑宽度和手征，完美的氮化硼纳米带（BNNRs）显现半导体行为；裸露的和H钝化的之字形BNNRs分别是有磁性和无磁性的材料；而两个H钝化的之字形BNNRs则具有铁磁性。第一性原理对表面吸附，或B原子和N原子被其他原子取代条件下h-BN纳米膜的结构、电子和磁性特征的研究，也已开展。许多吸附或取代原子，如Sc、Ti、V、Cr、Mn、Fe、Mo、W、Pt、H、C、Si、B、N、O、Ca、Cu、Pd、Ni和Zn都被考虑，结果发现当某些吸附原子吸附含