共价功能化MoS2单层电子结构和输运性质的理论研究

摘要

具有原子级或分子级厚度的单层二维纳米材料现已成为材料研究领域的热点，其独特结构和优异的性能为制造大面积、高质量和强功能的纳米电子器件送来了福音。石墨烯作为典型的单层二维纳米材料，其研究热浪也推动科研工作者投入到其它新型二维层状材料的研究新潮。MoS2单层是一种新型的无机二维纳米材料，它的出现为单层二维纳米材料注入了生机，实现了有机向无机二维材料的转变，同时它具有不同于石墨烯的优良半导体性质进而补充了二维纳米材料的性质空位，使二维纳米材料有了更丰富的性质和更广泛的应用。而用实验方法去研究二维纳米材料的性质会受到材料的尺寸和制备的工艺等一系列条件制约，随着量子力学的相干理论的逐步完善，理论计算已成为钻研纳米材料的强有力手段，为纳米材料的研究和应用提供了理论支持。
　　本研究首先基于密度泛函理论，采用SIESTA软件包计算二维周期性体系的几何结构、能带结构、态密度和波函数。选择-C3H7、-Si3H7、-C6H5、-C6H4NO2以及-C6H4OCH3这些供电子基团对MoS2单层进行共价功能化，研究共价功能化对MoS2单层电性的影响，同时分析不同接枝官能团的影响。研究结果表明这些功能化基团以C或Si原子与MoS2单层上的S原子共价成键，具有较大的结合能。共价功能化后，接枝基团诱导产生了一个穿越费米能级的中间耦合带，这条新的能带使得MoS2单层由原本的半导体性质向金属性质转变。考察不同的接枝基团影响，发现供电子较强的含苯基团(-C6H5、-C6H4NO2和-C6H4OCH3)对导带整体的影响比烷基类(-C3H7和-Si3H7)的要大。另外含苯基团的对位取代基不同也对共价功能化体系的性质有影响，由于硝基苯中大π键的影响使e-bulk表现出了不同于d-bulk和f-bulk的陷阱态。以苯功能化为例，分别选取3×3×1和2×2×1的MoS2超胞进行共价功能化，我们对比研究了接枝密度对能带结构影响，发现接枝密度越大，接枝基团诱导的穿过费米能级的中间耦合能带带宽越宽，接枝基团对该中间耦合带的贡献越大。结合密度泛函理论和非平衡格林函数方法，利用ATK软件计算了双探针体系的I-V曲线、传输谱、MPSH态和静电势。从电子输运性质方面分析不同接枝官能团和不同接枝密度对共价功能化MoS2单层的导电性影响。结果显示共价功能化后体系导电性提高，表现为金属性，且苯基团的共价功能化对MoS2单层导电性增大最明显，另外高接枝密度体系的电流响应也高于低接枝密度体系，表现更好的导电性。所有共价功能化体系的I-V曲线展现出一定NDR效应，通过分析MPSH态和静电势，解释了NDR效应,指出了接枝官能团对传输路径的贡献。总之可以通过共价功能化来调控MoS2单层的电子结构和电子输运特性进而拓展其作为低维电子材料的潜在应用。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 引言

1．2 MoS2单层

1．3 功能化MoS2单层的研究进展

1．3．1 MoS2单层的非共价功能化研究

1．3．2 MoS2单层的共价功能化研究

1．4 本文研究的目的和内容

第2章 理论基础和计算方法

2．1 理论背景

2．1．1 薛定谔方程

2．1．2 Born-Oppenheimer近似

2．1．3 Hartree-Fock近似

2．2 密度泛函理论

2．2．1 Thomas-Fermi-Dirac模型

2．2．2 Hohenberg-Kohn定理

2．2．3 Kohn-Sham方程

2．3 非平衡格林函数

2．4 计算软件

2．4．1 SIESTA软件

2．4．2 ATK软件

2．5 本章小结

第3章 共价功能化对MoS2单层电子结构调控研究

3．1 引言

3．2 计算方法

3．3 结果与分析

3．3．1 不同接枝官能团对MoS2单层电子结构的调控

3．3．2 不同接枝密度对MoS2单层电子结构的影响

3．4 本章小结

第4章 共价功能化MoS2单层的电子输运性质研究

4．1 引言

4．2 计算方法

4．3 结果与分析

4．3．1 不同接枝官能团对MoS2单层电子输运性质的影响

4．3．2 不同接枝密度对MoS2单层电子输运性质的调控

4．4 本章小结

结论

参考文献

攻读学位期间发表的论文

致谢