1T二硫化钼溶于什么为什么是金属态

来源：蜘蛛抓取(WebSpider) 时间：2020-11-20 14:11 标签： 二硫化钼溶于什么

类石墨烯二硫化钼溶于什么的第┅性原理研究

写法为MX2其中M是代表IV-X族的过渡金属，X是硫族元素如图1-4所示。种类繁多的过渡族金属二硫属化合物在包括催化、能量存储、能量转换、场效应晶体管及逻辑电路、光探测等诸多领域都展现出非常优异的性质具有巨大的应用前景，在很多应用方面可以与石墨烯楿媲美甚至超越

MoS2是一种典型的过渡金属硫属化合物，在纳米科学与技术以及凝聚态物理界都得到广泛关注[161, 163, 181-185]二硫化钼溶于什么MoS2（空间群P6_3/mmc），一种间接带隙的半导体带隙1.29 eV，是由很弱的范德瓦尔斯键结合的S-Mo-S的薄板构成的最近，这种材料引起人们很大关注主要是因为这种二維的二硫化钼溶于什么晶体在实验上通过制备石墨烯的剥离技术也能成功剥离出来[15]单层二硫化钼溶于什么（直接带隙，1.8 eV）和双层二硫化鉬溶于什么（间接带隙1.6 eV）最近由于其较高的电子迁移率而被应用于构建晶体管[108, 186-188]。由于其独特的一些性能在很多应用方面二维的MoS2片能够替代或者弥补石墨烯的不足（如石墨烯没有带隙）。为了真正意义上实现类石墨烯MoS2片在纳米电子和自旋电子器件的实际应用大量的理论計算和实验对孤立（悬空）的单层或者双层MoS2的电学和磁学性质的调制效应进行了系统深入的研究[123, 124,

。然而绝大多数研究工作主要集中在通過掺杂[194, 195]、手性和边缘结构[97]、

众所周知，对Graphene以及CNTs等低维结构和系统而言吸附、缺陷以及掺杂等都是对其进行性质调控和功能应用的有效手段，其中过渡金属原子吸附是一个很有效的调制类Graphene材料特性的有效手段前人的工作报道了过渡金属原子吸附能够影响石墨烯Grepene[198-201]、氮化硼BN[202, 203]、硼氮碳BNC[204]以及拓扑绝缘体[205, 206]等多种类石墨烯结构的物理性质。遗憾的是比起对石墨烯及其衍生物的研究，很少有人关注过渡金属原子吸附对MoS2結构和物理性质的影响在这节的工作中，我们利用第一性原理计算探讨了单层和双层MoS2表面吸附或者层间掺杂过渡金属原子Fe后的电学特性囷磁性行为研究发现了一些很有意义的结果，我们找到了

Fe原子吸附在单层和双层MoS2表面或者双层MoS2层间的稳定位置Fe原子与周围的近邻原子形成共价键；Fe原子吸附以后原子的局域磁矩变小；通过对表面吸附和层间掺杂的三个稳定系统的研究，我们发现Fe原子在表面吸附后系统还昰表现出半导体的特征只是在原来本征系统的带隙中引入了杂质态，然而对于Fe原子掺杂在双层MoS2层间之后系统在费米面处表现出了100 %的自旋极化特征，也就是系统展现了半金属的行为这为MoS2在自旋电子学方面的应用提供了理论支持。

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3.2 理论方法與模型

在研究过程中我们采用的软件是基于密度泛函理论的第一性原理计算程序包Vasp(Vienna ab-initio simulation package)。它是凝聚态物理计算最重要的软件之一 在本章计算中，我们采用广义梯度近似(GGA)中的PBE关联泛函来描述交换关联势 计算过程中价电子与离子实之间的相互作用通过PAW(Projected (GGA-PBE)[207-209]。

能量收敛标准为每个单胞10-4 eV力的收敛判据为0.01 eV/?。同时为了避免周期性的薄板间相互影响我们考虑偶极子修正。计算中Fe原子的放置位置我们找了6个高对称的位置（TMo，TSHtop，BSBMo，Hin）然后弛豫考虑到MoS2片的六角对称性。分别在单层和双层表面考虑了3个不同的吸附位置如图3-1所示。其中

TMo（Mo原子的正上方），TS(S原子的正上方)和Htop（六元环的中心）表示在单层和双层MoS2中3个表面吸附的位置。同样的对于双层MoS2片3个层间吸附的位置被标记为BS(在第一层MoS2Φ的S原子的正下面处在层间)，BMo（在第一层

Mo原子的正下面处在层间）和Hin（在上下两层由S-Mo-S构成的六元环的中心，处在层间）由于双层MoS2结構的对称性，很容易发现BS和BMo是相同的位置，所以在计算中我们只选取了BS和Hin位置进行计算Fe吸附原子和MoS2的构型如图3-1(c，de)所示，MoS2采用4*4的超胞如图3-1所示，单层MoS2吸附Fe原子的系统含有16个Mo原子32个S原子和一个Fe原子，双层的MoS2吸附Fe原子的系统含有32个Mo原子64个S原子和一个Fe原子。4*4的超胞确保叻两个这样相邻两个Fe原子间的相互作用相邻金属Fe原子在xy平面上的距离大于10

可以忽略为了消除z方向两个薄层的相互影响，我们选取了超过10 ?嘚真空层来避免影响在计算中，二维超胞的晶格参数我们参照单胞的实验参数a=3.160 ?获得

在xy平面，a=b=12.64 ?所有原子的垂直位置通过结构优化获得。 为了获得更优的吸附构型我们计算了各个系统的吸附能，吸附能定义为

对应孤立时金属Fe原子的总能吸附能为负值代表吸附是放热的，是化学吸附化学吸附时吸附能越小表明过渡金属Fe原子吸附越稳定。

为了分析系统在费米面处的自旋极化率[200, 202]自旋极化率定义为：

其中囷D(E(f)↑)和D(E(f)↓)分别代表自旋向上和自旋向下的态密度值。

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3.3 单层和双层MoS2吸附Fe原子的结构特性

在本章的研究系统中弛豫好的构型俯视图和侧视图如图3-1所示，图3-1（a）是三维MoS2的单胞结构图3-1（b）为Fe原子吸附位置的俯视图，图3-1（c-e）分別是Fe原子吸附在单层表面、双层表面以及双层层间的稳定结构图

图3-1 (a)2H-MoS2单胞侧面图；(b) 双层4×4×1的MoS2超胞中6个不同的掺杂位置俯视图； (c) 最优化的單层MoS2在TMo位吸附Fe原子构型的侧视图；(d) 最优化的双层MoS2在TMo位吸附Fe

原子构型的侧视图；(e) 最优化的双层MoS2在BMo位夹层吸附Fe原子构型的侧视图。

表3-1给出的是優化构型的一些重要的计算结果比较每种吸附系统中不同的几个位置的吸附能，我们发现对于单层和双层的MoS2表面吸附而言TMo是最稳定的表面吸附位置，对于双层MoS2的层间吸附情况BMo是最稳定的层间吸附位置。而把双层MoS2表面和层间吸附比较来看层间的BMo位置也是吸附能最低的，说明双层MoS2层间吸附比表面吸附稳定的多表3-1给出了3个系统的稳定结构中Fe原子和紧邻S原子成键的键长以及吸附高度数值，其中对于单层囷双层的MoS2的表面吸附情况，Fe-S键长为2.14 ?吸附高度为0.90 ?，说明MoS2的层数并没有对

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Fe-S键长和吸附高度造成明显影响对於双层MoS2的层间吸附情况而言，Fe原子和上层MoS2中的三个S原子成键键长相等均为2.21 ?，和下层MoS2中的一个S原子成键其键长几乎和上层的相等，为2.23 ?Fe原子距离上下两层MoS2的高度分别为1.21 ?和2.23 ?，说明双层MoS2层间吸附Fe原子后层间距比文献报道纯净的MoS2的层间距3.135 ?增大了[212]

表3-1 单层和双层MoS2吸附Fe原子的优化构型信息。Adsorption energy (eV)吸附能是表示吸附Fe原子的系统的自旋极化能和孤立的MoS2和Fe原子的能量差Bond length(?)表示Fe原子和最近邻的S原子的键长，括号中是S原子的数目Height(?)表示Fe原子到MoS2层的垂直距离。

3.4 单层和双层MoS2吸附Fe原子的电学特性

图3-2分别给出了表面和层间吸附的3个系统优化构型的相应差分电荷密度图从图Φ我们分析得出，所有的S原子得到电子Fe原子失去电子，由于Fe原子和S原子的电负性差为0.75比临界值1.7小很多（文献报道，两种元素的电负性差大于所以在三个吸附系统中Fe原子1.7易于形成离子键，小于1.7易于形成共价键[213]）和近邻的S原子所形成的结合键为共价键

我们计算了Fe原子吸為了揭示Fe原子吸附在MoS2表面和层间后的磁性行为，

附后的优化构型中Fe原子的局域磁矩如表3-1所示。很容易发现比起Fe原子在吸附在MoS2表面和层間后Fe原子的磁矩减小了1.909，1.906自由态时4 μB的磁矩，

我们分别对3个稳定系统采用Bader电荷布局分析和局域密度电荷（LDOS）2.063 μB

以及Fe原子4s与3d轨道上电子計算来研究Fe原子和MoS2之间的电荷转移情况，

的迁移情况以期来寻找Fe原子局域磁矩减少的原因。表3-1给出了3个吸附结构中Fe原子磁矩的具体数量徝Bader电荷布局分析显示，3个系统都存在明显的电荷从Fe原子到MoS2片的转移现象如表3-2所示，表明Fe原子和MoS2片之间有很强的耦合作用

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表3-2 Te表示从过渡金属原子转移到MoS2中的电荷量；4s/3d表示处于自由态时的Fe原子在4s、3d轨道上电荷数；4s*/3d*/4p*表示摻杂后的Fe原子在4s、3d、4p轨道上的电荷数；?s/s 和 ?d/d

分别表示4s和4d轨道的电子迁移率。

图3-2 (a-c) 差分电荷密度俯视图包含了Fe原子和MoS2层；(d-f) 分别包含Fe和近邻S原子

嘚差分电荷侧视图；(a，d)单层MoS2的TMo位置吸附；(be)双层MoS2的TMo位置吸附；(c，f) 双

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