功能化单层MoS2表面小分子行为的第一性原理研究

摘要

环境污染问题迫切需要实现对常见气体分子（尤其有毒气体）简易、灵敏、高效和低成本的检测。高效的气体传感器也有利于燃料的有效利用和控制排放。二维材料由于具有大的比表面积和高迁移率等独特优势，近些年在气体传感器方面得到了很大发展。过渡金属硫化物二硫化钼是一类明星二维材料。与石墨烯相比，“三明治”形态的二硫化钼除了具有更高的比表面积外，还具有可观的带隙(1.3-1.8eV)，可直接用于场效应管(FET)等传感器件制作。与石墨烯材料相似，通过缺陷、金属掺杂和其他功能化的可以优化和提升二硫化钼基传感器性能。　　本论文主要利用第一性原理研究若干常见气体小分子在单层二硫化钼表面的行为，主要研究结果分为两大部分:　　第一部分:研究几种具有代表性的常见气体分子(NO2，NH3，H2S，SO2，CO和HCHO)在银功能化的单层二硫化钼表面的吸附行为，探讨银功能化对单层二硫化钼气体传感性能的优化。我们系统分析了Ag-MoS2三种表面对气体小分子的吸附行为、电荷转移和电子性质，发现与原始MoS2和Ag-VMo材料相比，Ag-P和Ag-Vs衬底对气体的吸附活性有着明显的改善提升，并且这两个衬底对NO2的吸附能力明显大于其他气体分子。不同气体分子吸附在不同的吸附剂上的电荷转移过程各有其特点，造成了系统载流子密度和系统电阻的变化。Gas/Ag-MoS2系统的半导体特性更多的取决于材料表面的功能化金属，另外，吸附气体上的电荷转移数量的多少和难易，也是衡量气体吸附和探测性能的一个重要指标。　　第二部分:研究缺陷功能化的单层二硫化钼对H2O2解离吸附过程的影响，主要分析阐明了H2O2的吸附热力学和分解热力学机理。分析H2O2和H2O2碎片的吸附能，及H2O2解离吸附过程中的反应能和光学性质。通过分析发现:(1)在二硫化钼表面H2O2分解主要是通过O-O键的断裂进行的，硫和钼缺陷更有利于H2O2分解为HO自由基;(2)由H2O2和HO自由基反应生成HOO自由基的过程更倾向于在完美二硫化钼表面进行;(3)在完美和硫缺陷表面，HO和HOO两种自由基很容易复合生成O2和H2O;(4)缺陷表面对于H2O2及其碎片的光学敏感性比完整表面高;(5)在不同表面上吸收浓度不同时其吸收光谱各有特点，这有利于检测和鉴定不同物种的生成。

目录

摘要

第一章 绪论

1．1 二维材料

1．1．1 二维材料的起源

1．1．2 二维材料的应用

1．2 二硫化钼

1．3 本论文的研究意义

第二章 基本理论和计算方法

2．1 第一性原理

2．2 密度泛函理论

2．2．1 Hohenberg—Kohn定理

2．2．2 Kohn—Sham方程

2．2．3 密度泛函的分类

2．3 态密度和能带理论

第三章 银功能化的单层二硫化钼对气体吸附陛能提高的理论研究

3．1 引言

3．2 计算方法

3．3 结果与分析

3．3．1 二硫化钼表面的银原子吸附

3．3．2 气体分子在银原子修饰的二硫化钼表面的吸附

3．3．3 银原子在电荷转移过程中的作用

3．4 小结

第四章 缺陷功能化的单层二硫化钼对过氧化氢解离吸附的理论研究

4．1 引言

4．2 计算方法

4．3 结果与分析

4．3．1 分子吸附

4．3．2 H2O2及其碎片光学性质

4．4 小结

第五章 总结

参考文献

致谢

攻读硕士学位期间发表的论文

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