二维材料层堆叠异质结的第一性原理研究

摘要

自从石墨烯出现以后证明二维材料可以在常温下稳定存在，二维材料的研究迅速扩展开来。随着研究的不断深入，人们发现堆叠两种二维材料形成异质结可以呈现出一些新颖的特性，而且由于二维材料层间是靠微弱的范德华力结合而成，不需要考虑如体材料异质结一样因为晶格不匹配造成的限制，这样大大促进了二维材料异质结的研究。本文借助模拟软件Material Studio，对TMDs-MoS2异质结和Graphene-TM Ds异质结两类异质结进行模拟计算，研究其内部结构、能带结构、光学性质等，所取得的研究成果如下：
　　1.首先对WSe2-MoS2异质结的超胞的晶格参数、能带结构、态密度、电子布局和差分电荷密度。能带结构和态密度的计算结果显示，WSe2-MoS2异质结具有直接带隙能带结构，禁带宽度为0.441eV。其值均小于WSe2和MoS2的禁带宽度，意味着若将该结构用于太阳电池或光电探测器，可以增强相关器件对长波长光子的吸收与响应。电子布局和差分电荷密度的计算结果表明，异质结构成后可使WSe2分子层荷正电，MoS2分子层荷负电，由此形成由WSe2层指向MoS2层的内建电场，该内建电场的形成有助于实现光生电子-空穴对的分离。计算结果分析说明WSe2-MoS2异质结非常适合被用来制作需要对长波长光子吸收与响应的太阳电池和光电探测器等光电子器件。
　　2.分析了三种不同堆叠方式对WSe2-MoS2异质结的影响。能带结构计算结果显示，三种WSe2-MoS2异质结都具有直接带隙能带结构，禁带宽度分别为0.441eV、0.859eV、0.522eV。这就意味着通过不同方式的堆叠，可以用来调控该类异质结合适的禁带宽度，从而拓宽此类异质结的应用范围。通过形成能的计算表明，三种结构形成能都为负值，而且相差很小，说明三种结构都容易形成，在分析实际实验时，必须同时考虑三种结构共同存在的情况。光学性质的计算结果可知，由于禁带宽度的差别结构2的吸收系数、光电导在中长波范围内比结构1和结构3都要好；吸收边普遍左移，这有利于异质结对红外波段的长波的吸收。对MoSe2-MoS2异质结和WS2-MoS2异质结的计算显示，两种异质结都为直接带隙，禁带宽带分别为0.780eV和1.389eV。吸收谱的比较发现MoSe2-MoS2异质结在高频范围内有着很强的吸收，可以应用到对紫外、深紫外探测器的研究。
　　3.最后，我们对Graphene-TMDs异质结进行计算研究，发现grap he ne-MoS2异质结按照第二种方式堆叠能打开石墨烯能隙，两种结构主要差别在于 S原子对石墨烯层中 C原子杂化的程度的情况不同。形成能的计算显示两种结构都较容易形成。Graphene-WS2异质结的两种方式使得石墨烯有着17meV和49meV带隙的打开，这就意味着可以通过利用石墨烯与 WS2的堆叠来控制石墨烯的能带，从而有利于石墨烯的开关器件中的应用。Graphene-WSe2异质结的两种堆叠方式都为零带隙，并没有使得石墨烯能隙的打开。造成这种差别的原因在于导带低和价带顶Mo原子和W原子贡献相同，主要差别来自S原子和Se原子的不同贡献。光学性质研究发现，此类异质结拓宽了单一材料对光的吸收频谱，而且发现Graphene-MoS2异质结与另两种异质结对高频高能光子的吸收范围有所不同。这样通过利用这些特性使得此类异质结更加有利于应用到光电子领域。

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第一章 绪论

1.1 二维材料简介

1.2 石墨烯制作工艺

1.3 MoS2的制作工艺

1.4 二维材料异质结简介

1.5 第一性原理

1.6 Materials Studio软件简介

1.7 论文的研究内容

第二章 WS2/Mo S2异质结内部结构和晶格振动

2.1 WS2/MoS2异质结异质结的制作工艺

2.2 计算模型和方法

2.3 结果与讨论

2.4 结论

第三章 不同堆叠方式TMDs异质结对光学性质的影响

3.1 计算模型

3.2 结果讨论

3.3 几种TMDs-MoS2异质结性质比较

3.4 结论

第四章 石墨烯-TMDs异质结第一性原理的研究

4.1 石墨烯异质结研究背景

4.2 Graphene-MoS2异质结

4.3 其它Graphene-TMDs异质结的研究

4.4 结论

第五章 总结与展望

参考文献

致谢

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