单层WS_2类石墨烯结构的第一性原理研究

发布时间：2017-05-25 09:25

  本文关键词：单层WS_2类石墨烯结构的第一性原理研究，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：本文借助于Materials Studio计算模拟软件中的CASTEP模块,研究了3d过渡金属(TM=Ti、V、Cr、Mn、Fe、Co、Ni、Cu和Zn)掺杂单层WS2的电子结构和磁学性质、4d过渡金属(TM=Y、Zr、Nb、Mo、Pd、Cd)掺杂单层WS2的能带结构、电子态密度、光学性质以及氢的不同修饰方式对扶手椅型WS2纳米带电磁特性的影响,所得结论如下:(1)过渡金属原子(TM=Ti、V、Cr、Mn、Fe、Co、Ni、C u和Zn)的掺入会导致WS2超胞结构发生一定的晶格畸变,也会对WS2的能带结构和磁性能带来影响;不同体系呈现出不同大小的磁矩,V-WS2为金属铁磁性,Fe-、Cr-、Cu-、Zn-WS2表现出为半导体特性,而Ti-、Mn-、Ni-WS2表现为半金属铁磁性,半金属能隙分别为0.025eV、0.4e V、0.125eV,Co掺杂也表现出半导体性质,且体系磁矩(3.24268μB)最大,表现为亚铁磁性。(2)计算了不同Fe掺杂浓度对单层WS2电磁特性的影响,结果表明:Fe掺杂浓度的高低对单层WS2的能带结构影响很大,甚至会改变单层WS2直接带隙或间接带隙的能带特点,随着杂质浓度的减小,对应体系的总磁矩呈增大趋势。(3)通过对各掺杂体系的电子自旋总态密度与极化分波态密度的分析,V、Cr、Mn、Fe、Co和N i掺杂后,体系磁矩产生机理主要是过渡金属(TM=Ti、V、Cr、Mn、Fe、Co、N i)的d轨道与最近邻S原子的p轨道之间的杂化交换作用。(4)4d过渡金属掺杂几何优化后,计算的能带结构显示,除杂质原子Mo外,其余掺杂均引入一定数目的杂质能级,Y、Zr、Nb和Pd掺杂,杂质能级主要来至杂质原子的d态与S原子p态的杂化;Cd掺杂比较特殊,由于Cd-d态很不活泼,态密度基本局域在价带的-8.75eV处,其对禁带中的杂质能级没有贡献;不同掺杂体系的光学常数谱也不同,尤其是,Y、Cd掺杂在近红外和可见光区有很强的吸收,其可能在红外探测器以及光催化方面具有潜在应用前景。本征WS2和Mo、Y掺杂WS2的差分电荷密度分布能形象的反映出掺杂前后电荷得失转移情况,Mo掺杂WS2对差分电荷密度分布形状影响不大,但得失电子的多少和电荷聚集损失的程度有所不同,Y掺杂WS2的差分电荷密度分布畸变较大。(5)基于密度泛函理论计算了对称H修饰与非对称H修饰下扶手椅型WS2纳米带的电磁特性,结果表明:纳米带随着修饰H原子数目的增加结构变得更加稳定,并且在间接带隙、半金属和直接带隙之间转变,这可能由于不同H修饰使W-d轨道各分轨道的电子占据数不同;费米能级附近的能带来自纳米带的边缘态;本征AWS2NR没有磁性,H修饰的体系呈现出了不同大小的磁矩,6H-AWS2NR体系磁矩最大,达到2.55301μB,体系磁矩大小不一归因于H修饰后,W-5d轨道所处的配位场的强弱受到影响,导致轨道劈裂的程度不同。
【关键词】：第一性原理 单层WS2 掺杂 H修饰 纳米带
【学位授予单位】：西安电子科技大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2014
【分类号】：O613.71
【目录】：

• 摘要5-7
• ABSTRACT7-11
• 符号对照表11-12
• 缩略语对照表12-15
• 第一章 绪论15-19
• 1.1 过渡金属二硫化物15
• 1.2 单层WS_2的性质及应用15-16
• 1.2.1 电学性质15
• 1.2.2 光学性质15
• 1.2.3 传感性能15-16
• 1.2.4 与石墨烯组成的异质结16
• 1.3 二维二硫化钨的制备16-17
• 1.3.1 剥离法16
• 1.3.2 化学气相沉积法16-17
• 1.3.3 水热法17
• 1.4 第一性原理17-18
• 1.5 Materials Studio软件介绍18
• 1.6 论文主要内容18-19
• 第二章 3d过渡金属掺杂单层WS_2的电子结构与磁性19-35
• 2.1 研究背景19
• 2.2 TM掺杂单层WS_2的理论模型与计算方法19-21
• 2.2.1 理论模型与计算方法19-20
• 2.2.2 几何结构与能量20-21
• 2.3 3d-TM掺杂单层WS_2的电子结构21-24
• 2.4 d过渡金属掺杂单层WS_2的磁性24-28
• 2.4.1 各掺杂体系的磁性参数24-25
• 2.4.2 各掺杂体系的自旋极化DOS25-27
• 2.4.3 各掺杂体系的电子自旋密度分布27-28
• 2.5 不同浓度下Fe掺杂对WS_2电磁特性的影响28-32
• 2.6 本章小结32-35
• 第三章 4d过渡金属掺杂对单层WS_2光电性能的影响35-45
• 3.1 4d过渡金属掺杂单层WS_2的电子结构35-40
• 3.1.1 几何结构与能量35-36
• 3.1.2 各掺杂体系的能带结构36-38
• 3.1.3 各掺杂体系的态密度38-40
• 3.2 Y、Mo掺杂体系差分电荷密度分析40
• 3.3 4d过渡金属掺杂单层WS_2的光学性质40-44
• 3.3.1 各掺杂体系的复折射率41-42
• 3.3.2 各掺杂体系的吸收谱42-43
• 3.3.3 各掺杂体系的反射谱43
• 3.3.4 各掺杂体系的损失谱43-44
• 3.4 本章小结44-45
• 第四章 扶手椅型WS_2纳米带的电磁特性45-57
• 4.1 扶手椅型WS_2纳米带的理论模型与计算方法45-47
• 4.1.1 理论模型与计算方法45-46
• 4.1.2 纳米带结构与稳定性46-47
• 4.2 不同边缘H修饰方式对AWS_2NR电子结构的影响47-51
• 4.2.1 对称修饰对AWS_2NR电子结构的影响47-49
• 4.2.2 不对称修饰对AWS_2NR电子结构的影响49-51
• 4.3 不同边缘H修饰方式的AWS_2NR的磁学性质51-54
• 4.3.1 不同H修饰AWS_2NR的磁性参数51-52
• 4.3.2 不同H修饰AWS_2NR的极化态密度52-53
• 4.3.3 不同H修饰AWS_2NR的电子自旋密度分布53-54
• 4.4 本章总结54-57
• 第五章 总结与展望57-59
• 参考文献59-64
• 致谢64-65
• 作者简介65-66

【参考文献】

中国期刊全文数据库 前1条

1 杨志雄;杨金新;刘琦;谢禹鑫;熊翔;欧阳方平;;扶手椅型二硫化钼纳米带的电子结构与边缘修饰[J];物理化学学报;2013年08期

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本文编号：393341