基于单层SnS2的三元合金电子结构和光学性质的研究

摘要

由于石墨烯独特且优良的特性，类似的二维半导体材料因其在光电器件上的多种应用，在相关的理论和实验工作中已经成为一项重要的研究课题。此外，在实际的应用方面已经证实，几种二维材料的性质比它们原来的的三维形态远远要好。比如，相关理论计算表明:单层二硫化钼的光量子效率是其三维块材料的104倍。单层SnS2材料，二维半导体材料中的一员，由于它适中的带隙、平坦的形貌、低毒性以及含量丰富等优良特点，引起了大家的特别关注。最近的研究表明，单层SnS2可以被用于锂离子电池的负极材料、光电晶体管和太阳能水分解反应中的催化剂。同时，简单的二元和三元合金，比如SnS和FeS2，在光伏研究中引起了广泛关注。因此，在本文中，我们将基于密度泛函理论使用第一性原理方法研究地球资源丰富、环境友好型的二维半导体材料SnS2纳米片，通过在二维SnS2纳米片中掺杂金属原子，对其电子结构和光学性质进行调控研究。主要研究内容如下:
　　1)对于在二维SnS2纳米片中掺杂不同浓度的Ti(Zr)原子调控其电子结构和光学特性的研究，结果表明Ti(Zr)原子取代Sn原子对SnS2的带隙值和光吸收性质有明显的改变。Sn1-xTi(Zr)xS2的带隙值随着Ti(Zr)原子掺杂浓度的增加而减小。而且，当Ti浓度x=0.04时，Sn1-xTixS2带隙值由1.59变成1.16eV。这引起了可见光范围内光吸收强度的明显增强。另外，静态介电常数随着Ti(Zr)原子掺杂浓度的增大而增大。这些结果对于了解Sn1-xTi(Zr)xS2合金的结构、电子和光学性质都是非常有利的。
　　2)我们探究并分析了掺杂Cu原子的SnS2纳米片的电磁和光学性质。对其结构模拟计算之后，我们发现掺杂一个或者不同位形的2个Cu原子之后，Sn1-x(Cu)xS2体系都由一开始的非磁基态转变为有磁性体系。对于掺入一个Cu原子的SnS2纳米片，我们还计算了掺杂后体系的介电函数的性质。数据结果表明，随着Cu原子在SnS2二维纳米片中掺杂浓度的不断增加，体系Sn1-x(Cu)xS2的静态介电常数也逐渐增大，而且，体系介电函数的光吸收强度的数值结果也有了很明显的提高。Sn1-x(Cu)xS2掺杂体系，和纯的SnS2纳米片对比，都出现了很多新的光吸收峰。这对于材料在可见光范围内的光吸收很有帮助。

目录

摘要

第一章 绪论

1．1 低维纳米材料介绍

1．2 合金材料介绍

1．3 本文研究材料介绍

1．4 本文的主要研究内容

第二章 理论基础

2．1 密度泛函理论

2．1．1 绝热近似

2．1．2 Hartree-Fock近似

2．1．3 Hobenberg-Kohn定理

2．1．4 Kohn-Sham方程

2．1．5 交换关联泛函

2．1．6 赝势方法

2．2 VASP程序包介绍

2．3 掺杂的形成能

2．3．1 半导体中的掺杂

2．3．2 掺杂的形成能计算方法

2．4 半导体的光学性质

2．4．1 半导体的光吸收

2．4．2 半导体发光

第三章 二维Sn1-xTi(Zr)xS2合金的电子结构和光学性质的研究

3．1 背景介绍

3．2 结构模型和计算方法

3．3 结果分析与讨论

3．3．1 纯SnS2二维纳米片的结构和电子特性

3．3．2 二维Sn1-xTi(Zr)xS2三元合金的电子结构性质

3．3．3 二维Sn1-xTi(Zr)xS2三元合金的光学性质

3．4 本章总结

第四章 二维Sn1-xCuxS2纳米片的电子结构和光学特性研究

4．1 背景介绍

4．2 结构模型和计算方法

4．3 结果分析和讨论

4．3．1 单个Cu原子掺杂SnS2纳米片的电子结构性质

4．3．2 不同位形的两个Cu原子掺杂SnS2纳米片的电磁特性

4．3．3 单个Cu原子掺杂的SnS2二维纳米片的光学性质

4．4 本章总结

第五章 总结及展望

参考文献

致谢

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