二维二硫化钼电子结构和晶格动力学的第一性原理研究

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原子层厚度的二维材料以其特有的量子束缚效应及物理性质得到了广泛的关注,尤其是在单层的石墨烯制备成功之后,成为了当今最为炙手可热的研究方向之一。和石墨烯材料相比,二维的二硫化钼(MoS2)有石墨烯所不具备的能隙,同时又保留了石墨烯的高强度、高电子迁移率等优点,在纳米电子器件方面具有极其广阔的应用前景。我们通过第一性原理密度泛函理论结合密度泛函微扰和CI-NEB方法,系统地研究了二维MoS2中独特的物理性质,如缺陷和应力导致的磁性、堆垛稳定性及拉曼频率随层数的变化。  在含有原子空位缺陷的单层及双层MoS2体系中,我们发现通过应力调节可以使其出现磁性。进行能带结构计算发现,磁性总是在应力引起的能隙关闭之后出现,我们推测这是一种和巡游电子相关的Stoner铁磁性。为了证明这一点,我们分析了非自旋极化情形下的电子态密度和分波态密度,发现非自旋极化的态密度在费米能级处出现一个大的峰值,为使体系稳定,费米能级处出现自旋向上和向下能带的劈裂。由于部分填充的缘故,因此出现了净磁矩和铁磁序。我们通过实空间的自旋电荷密度分布和扫描隧道显微镜电荷密度分布证实了巡游磁性的存在。我们还将MoS2中出现的磁性和缺陷石墨烯进行了比较。本研究对开发新型磁存储材料具有一定的意义。  我们研究了双层MoS2不同堆垛方式的相对稳定性。在典型的五种堆垛方式中,我们发现AA和A'B堆垛是不稳定堆垛,同时AB'能量比AA'和AB稍高。这种能量差别来自于Mo-S键的电荷转移导致的层间库仑作用的差异。我们计算了五种堆垛之间的最佳滑移路径和滑移势垒,发现最佳滑移路径都会沿着zigzag的轨迹。在等压情形下,AB堆垛的稳定性和常压下相比没有发生太大变化,而AA'的滑移势垒随压强增大而变大,因此具有外压增强的稳定性。我们还发现AA'堆垛在稳定性增强的同时,其能隙和电子有效质量变得更小,更有利于在电子器件方面的应用。  最后,我们从晶格动力学出发,计算研究了MoS2拉曼频率随层数的单调变化关系。拉曼实验观测到非常有趣的现象:随着堆垛层数的变化,A1g和E12g模式会分别出现反常蓝移和红移现象。我们针对这些现象进行了深入的研究。我们首先得到了玻恩有效电荷与振动频率的数学关系,然后计算了原子的玻恩有效电荷,发现其面内分量随层数增大而减小,而面外分量却随之增加,为理解面内的E12g模式的反常红移提供了证据。另外,我们还通过计算排除了样品含Trigonal Antiprism结构的可能性,同时随层数增加,晶格常数的增大也有利于E12g模式的红移。最后我们讨论了堆垛方式对拉曼频率的影响,发现影响非常小。
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