过渡金属二硫化物纳米结构边缘特性和形貌研究

发布时间：2020-02-04 21:55

【摘要】：纳米材料具有显著的量子尺寸效应,在电学、光学等诸多领域有着广泛的应用前景。以二维材料石墨烯为代表,近年来该领域成为了研究的热点领域。但石墨烯是零带隙材料,其在半导体领域特别是光电子器件领域的应用受到了很大限制。研究发现以过渡金属二硫化物为代表的一些类石墨烯的二维材料同石墨烯有着类似的结构,同时存在大小不一的能带隙,使其在光电半导体器件领域有更为广阔的应用前景。本文利用基于密度泛函理论的第一性原理计算方法,选取了过渡金属二硫化物中最常见的二种材料Mo S2与WS2,研究了其电子特性。着重研究了Mo S2多体系的电子结构特性和光学特性以及Mo S2与WS2量子点边缘特性和形貌的调控机制,其目的在于从微观尺度探究此类材料的稳定性和电子结构的调控规律,为该类型材料的理论研究提供借鉴,为合成和应用提供理论依据。第一章是关于该论文的选题背景和意义;第二章介绍了该论文使用的研究方法的理论基础;第三章至第五章详细介绍了作者在攻读硕士学位期间所做的主要研究工作和取得的主要结果,其内容和结论概括简单如下:1.对于Mo S2电子结构的理论计算表明Mo S2块体材料为间接带隙半导体材料,单层的Mo原子与S原子之间通过共价键结合在一起,层与层之间通过范德瓦尔斯力相互连结。当Mo S2体通材料转变为层状结构时,其能带结构发生了变化,带隙大小随着层数的变化发生了可控的变化。而当其转变为Mo S2单层结构时,其能带结构表明Mo S2单层是直接带隙半导体。这种从体材料随着层数减少而逐渐发生能带变化的特性,在实际的实验和生产中能够很好地调控Mo S2的能带结构。2.应用第一性原理计算方法,研究了Mo S2量子点的生长规律并对其稳定性和电子结构进行了讨论。研究发现Mo S2量子点的边缘形貌特点随着化学势的变化发生规律性的改变:以Mo-S边缘构成的锯齿形三角形边缘在富S条件下较为稳定;以S边缘和Mo-S边缘构Mo-S边缘成的六边形结构在化学势处于中间态时较为稳定;以S边缘和Mo边缘构成的六边形结构在化学势处于富Mo时较为稳定。研究还发现这些Mo S2量子点结构都表现出同体材料和层状材料不同的金属性。并且这些量子点都存在边缘磁性,且这些边缘磁性的贡献来自于除S-Mo边缘以为的其他边缘。该特性使得其在制造自旋电子器件方向有广阔的应用前景。3.借鉴了Mo S2量子点边缘结构形貌的研究方法,对WS2量子点的边缘构成的第一性原理计算结果使用Wullf构筑规则进行了讨论。研究发现WS2量子点随着化学势从富S向富W改变,其形貌从三角型转变为六边型最后转变为多边型结构。其边缘结构在富S条件下,W-S边缘远比其他边缘稳定。只有当化学势靠近富W时,S边缘的形成能与W-S边缘具有可比性,从而导致出现六边形甚至是多边形的结构。
【图文】：

全势波函数与赝势波函数示意图

体结构是由类似石墨烯的二维层状结构，层与层之间由范容易被化学或者物理的方法剥离出单层或者多层的结构。治形状的结构，上下两层是 S 原子，，中间则是 Mo 原子。，是一种具有抗磁性，且具有半导体性质的化合物，其有泛的应用前景。其计算模型如下图所示
【学位授予单位】：中国计量学院
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TB383.1

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本文编号：2576440