MoSSe纳米管和平面锑烯的电子性质研究

发布时间：2020-10-28 10:18

　　 近年来,低维材料由于优异的物理化学性质在诸多领域展现出巨大的应用潜力。在低维材料崭露头角的各领域中,光催化制氢占据了一席之地,是缓解当下能源危机和环境污染问题的有效手段。相比于三维体系,低维纳米材料具有更高的比表面积、更高的载流子迁移率和更易调控的化学特性,因此可以极大地提高光解水制氢的效率,是非常有潜力的光催化剂。然而,目前的低维光催化剂的载流子复合率仍然较高,难以满足实际要求。因此,开发新型高效的光催化剂仍然是迫切需求。另一方面,要使低维材料更好地投入实际应用,我们首先应合成高质量的低维材料;在这个过程中,基底是必不可少的。合适的基底材料不仅可以用来支撑低维材料,使其得以大面积、高质量地生长,又能够保持二维材料原有的优良性质,使其免受基底影响。因此,为低维材料寻找合适的基底材料,甚至与寻找优秀的低维材料本身同样重要。本文围绕上述问题,通过基于密度泛函理论和含时密度泛函理论的第一性原理计算方法讨论了两种低维材料(Janus MoSSe纳米管和平面锑烯单层)的电子性质,进一步系统研究了 MoSSe纳米管在光催化领域的应用潜力,然后又为平面锑烯提供了两种合适的惰性基底。本论文共分为五章,第一章简要介绍了近些年来以二维材料为主的低维纳米材料的研究现状以及发展方向;第二章详细介绍了本论文所用到的基于密度泛函理论和含时密度泛函理论的第一性原理计算方法和所使用的程序包;第三章系统地研究了一维Janus MoSSe纳米管的电子结构和光催化相关性质;第四章针对二维平面锑烯缺乏合适基底的问题,我们系统地讨论了三种基底对其电子性质的影响;在第五章中我们总结了本论文的主要研究内容和创新点,并对这一研究方向做了展望。本文主要研究内容和结论如下:(1)过渡金属硫化物在光催化应用方面已经表现出巨大的应用潜力。这里通过含时密度泛函结合非绝热分子动力学的方法,我们发现一维Janus MoSSe纳米管是一种效率非常高的光催化剂。我们的计算结果表明它有着合适的带隙,并且带边位置完美地满足了水分解反应所需要的氧化还原电势。此外,这种特殊的纳米管在可见光区域展示出良好的光吸收性能。最重要的是,由于纳米管的内建电场,这个体系存在一个超长的载流子寿命(33 ns),这个寿命甚至和Ti02是相当的。如此长的载流子寿命能够有效地抑制光生电子空穴的复合,带来更高的太阳光转化效率。这些优秀的特性使得Janus MoSSe纳米管成为一个非常有潜力的光催化剂候选者。该工作为实验开发新型高效的纳米光催化剂提供了重要的理论依据。(2)平面锑烯最近在实验上首次合成,是一种非常有潜力的二维材料。然而,它独特的电子性质会银基底破坏,从而限制了它的进一步研究和实际应用。我们通过第一性原理计算提出h-BN和氢钝化的SiC(0001)是平面锑烯的两种理想的基底。这两种基底与平面锑烯结合时表现出明显的范德瓦尔斯相互作用,从而具有很低的结合能和很大的层间距。最重要的是,平面锑烯中费米能级附近的能带结构被完美的保留下来,同时两种大带隙基底的带边位置则距离费米能级很远。此外,上述特性并不受堆积方式的影响,使得这两种基底更加适合用于生长平面锑烯。本文的结果为观测平面锑烯的电子结构和拓扑特性提供了有效的方法,因此会极大的提高它的科学影响力。
【学位单位】：山东大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2020
【中图分类】：TB383.1
【部分图文】：

０个随机数序列来计算面跃迁概率。??３．３结果与讨论??３．３．１几何结构与电子性质??同碳纳米管相似，通过将ＭｏＳＳｅ单层沿特定方向弯曲就可以获得一维单壁??纳米管［３１，３２］。根据之前的研宄，扶手型的ＭｏＳＳｅ纳米管比锯齿型的ＭｏＳＳｅ纳??米管更加稳定［３２］。另一方面，鉴于扶手型的碳纳米管会随着尺寸的增大，从间??接带隙半导体转变为直接带隙半导体［３１，３２］，所以这篇文章中我们选取略大于??临界尺寸的Ａ２８型ＭｏＳＳｅ纳米管为对象来讨论它的电子性质和光催化特性。如??图３－ｌ（ａ）所示，Ａ２８型ＭｏＳＳｅ纳米管（Ａ－ＮＴ）的单胞包含２８个ＭｏＳＳｅ单元，??而它的横截面是锯齿型的。优化后的Ａ－ＮＴ直径为２５．３４?Ａ。平面的ＭｏＳＳｅ单层??中，Ｍｏ－Ｓ和Ｍｏ－Ｓｅ键长分别为２．４２Ａ和２．５３Ａ。弯曲成纳米管之后，Ｍｏ－Ｓ键??被压缩成２．３８?Ａ和２．４０?Ａ，而Ｍｏ－Ｓｅ键被拉伸成２．５６?Ａ和２．５８?Ａ。Ａ－ＮＴ的稳??定性对于是否能够实验制备和实际应用也很重要。在３００Ｋ的温度下，我们进行??了绝热分子动力学模拟来研宄它的热力学稳定性。在经历了?５ｐｓ的模拟后，Ａ－??ＮＴ的原子结构没有明显变化，表明这种结构在室温下依然有良好的稳定性。??＾?６?＾?ｒ?Ｋ＊?Ｚ?Ｄｃｍｉｔｖ?Ｏｆ?Ｓｔａｔｅｓ??图３－１：?Ａ－ＮＴ的俯视图（ａ）和侧视图（ｂ）。（ｃ）?Ａ－ＮＴ的能带结构和投影态密度，蓝??色虚线表示费米能级??现在我们来讨论ＭｏＳＳｅ纳米管的电子性质。首先通过使用ＰＢＥ泛函计算得??到的单层ＭｏＳＳｅ的带隙为１．５８ｅＶ，这一数值和实验测得的光学带隙（１．６８ｅＶ）是??很接近的［１

?山东大学硕士学位论文???１（ｃ）所示，Ａ－ＮＴ是一个直接带隙半导体，带隙为１．４４ｅＶ，导带底（ＣＢＭ）和价带??顶（ＶＢＭ）都位于Ｋ点（０．?０，?１／３）。在图３－ｌ（ｃ）中，我们也画了?Ａ－ＮＴ的投影态密??度。结果表明，和它的单层相似，Ａ－ＮＴ的ＣＢＭ和ＶＢＭ都主要是由Ｍｏ原子的??４ｄ轨道贡献的。??３．３．２光吸收性能???Ａｂｓｏｒｐｔｉｏｎ?Ｃｏｆｆｉｃｉｅｎｔ?｜?，：?｜?Ｓｏｌａｒ?Ｓｐｅｃｔｒｕｍ??ｉ：｜?丨１??ｒ?ｒ＼?％?ｊ??ｉ２－?；ｉ?＼ｉ｜ｉ?１??Ｑ?ｆ?■．．．．．．?？?ｔ??４?ｉ??—．．．?０?Ｑ??０?２００?４００?６００?８００?１０００??Ｗａｖｅｌｅｎｇｔｈ?（ｎｍ）??图３－２：蓝色实线代表Ａ－ＮＴ的光吸收能谱。橙色区域表示ＡＭ１．５标准太阳光??谱。黑色虚线包含的是可见光区域（３８０?ｎｍ到７８０?ｎｍ）。??高效的光催化剂应该拥有非常强的光捕获能力。我们计算了?Ａ－ＮＴ的光吸收??性能来评估Ａ－ＮＴ的光吸收性能。公式如下，??－?１／２?１／２??邮）＝竽⑷一巧）］—－＾）?（３．１）??ｈｅ?２??这里ｓＫｃｄ）和ｓ２（ｃｏ）分别代表介电函数的实部和虚部。如图３－２所示，Ａ－ＮＴ在??３８０到６００?ｎｍ的可见光波段有非常强的光捕获能力。这样优秀的光吸收特性表??明Ａ－ＮＴ是一种非常有潜力的光催化剂。??２０??

图３－３：?（ａ）Ａ－ＮＴ的带边排列
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本文编号：2859957