基于拉伸应变的单层二硫化钼力学和电学性能第一性原理研究

摘要

近几年来，柔性电子器件发展非常迅速，在信息、能源、医疗、国防等领域具有广泛的应用前景。层状二硫化钼作为一种理想的柔性电极材料，具有极佳的导电性能和超强硬度，以及带隙应变敏感性。除此之外，单层二硫化钼具有较大的内禀带隙，能够克服石墨烯的零带隙缺陷。在柔性电子器件使用过程中，材料不可避免的会受到拉伸应变、外加电场的影响，同时在制备过程所产生的空位缺陷亦会影响其力学和电学性能。而以上因素对二硫化钼力学和电学性质的影响机理目前尚不清晰，很大程度上限制了二硫化钼在柔性电子器件上的广泛应用。因此本文基于密度泛函理论，对本征及含空位缺陷的单层二硫化钼在拉伸应变下的力学和电学性质进行第一性原理研究。本文主要研究工作如下： （1）对单层二硫化钼材料的基本结构、性质、制备方法和应用前景进行了介绍，并且说明了当前国内外对于单层二硫化钼材料力学性能和电学性能的相关研究现状。 （2）介绍了第一性原理计算相关理论基础，包括密度泛函和从头算理论，并对第一性原理计算过程中使用的VASP软件进行了简要的介绍，阐述了计算过程中运行文件配置方案，并建立了本征及含硫空位缺陷的单层二硫化钼模型。 （3）研究了拉伸应变条件下空位缺陷对单层二硫化钼力学性能的影响。首先计算了给定条件下弹性模量、理论强度、泊松比等力学参数，接着从电荷分布的角度揭示了力学性能变化的本质，最后进一步分析了硫空位浓度对力学性能的影响。计算结果表明：空位缺陷的存在会造成晶格畸变，从而大幅度削弱二硫化钼的弹性模量和强度，同时泊松比在拉伸应变作用下表现出明显的各向异性。 （4）研究了拉伸应变条件下空位缺陷对单层二硫化钼电学性能的影响。计算了单层二硫化钼在受拉伸应变、空位缺陷及外加电场条件下的带隙值，发现以上因素对单层二硫化钼的带隙大小、直接间接带隙的切换均有一定的调控作用。同时分析了拉伸条件下本征和含硫空位缺陷对单层二硫化钼能带结构、态密度、有效质量、电荷密度的影响。结果表明空位缺陷引入的杂质态能带对拉伸应变非常敏感，是造成电学性能变化的根本原因。 本文通过大量的第一性原理计算及结果分析，探究了拉伸应变、空位缺陷等因素对单层二硫化钼力学和电学性质的影响，为后期单层二硫化钼在柔性电子器件等相关领域的制备及性能调控方面提供了理论支持。

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