摘 要

二维材料始发于石墨烯的成功制备，它们具有很多新奇的电子或化学性质。其中类石墨烯MoS₂是优秀的二维材料之一。有实验表明了层厚越厚，接触角越小。

本文为了证明这个结论，在原子模型这个范畴下，利用基于密度泛函理论的第一性原理计算方法(两种方法vdW-DF和DFT-D2)系统的研究MoS₂薄膜(1-12层一共12个模型)的表面能。在两种不同的堆垛方式AB和ABC的区分下，探讨薄膜厚度与表面能之间的关系，结合杨氏方程计算了MoS₂薄膜与水的接触角。研究发现，表面能会随着层厚的增长，先是快速变大，之后趋向稳定，单层MoS₂表面能的计算值为143.1 mJ / m²(DFT-D2)和206.1 mJ / m²(vdW-DF)。此外，对于表面张力和接触角的研究发现随着层厚越来越大，接触角会减小，变化也会减小，趋于平稳，单层二硫化钼的接触角分别为98.8º(DFT-D2)和97.6º(vdW-DF)。这个研究结果和实验结果是吻合的。这对于开发基于MoS₂涂层表面微流体的应用具有重要意义。

关键词：表面能 接触角 MoS₂ 层厚

Effect of ultra-thin MoS₂ film thickness on contact Angle of water droplets

Abstract

Two-dimensional materials originated from the successful preparation of graphene, they have many novel electronic or chemical properties.MoS₂ is one of the excellent 2d materials. Experiments show that the thicker the layer, the smaller the contact Angle.

Based on the atomic model under this category, the use of first principles calculation method based on density functional theory (two methods vdW-DF and DFT-D2) system research MoS₂ film layer (1-12 model for a total of 12) of surface energy.The relationship between film thickness and surface energy is discussed under the distinction between two different stacking modes AB and ABC, and the contact Angle between MoS₂ film and water is calculated.It was found that the surface energy increased rapidly with the thickness of the layer, first increasing rapidly and then stabilizing. The calculated values of the surface energy of single-layer MoS₂ were 143.1 mJ/m2(DFT-D2) and 206.1 mJ/m2(vdW-DF).In addition, for the surface tension and contact Angle of the study found that as the layer thickness is more and more big, the contact Angle decreased, the change will reduce, steady, single-layer molybdenum disulfide of contact Angle were 98.8º(DFT-D2) and 97.6º(vdW-DF). The results of this study are consistent with the experimental results. This is important for the development of MoS₂ coating surface microfluidic applications.

Key Words:Surface energy;contact Angle; MoS₂; layer thick

目录

摘 要 II

Abstract III

第一章 绪论 1

1.1引言 1

1.2 MoS₂的结构 1

1.3 MoS₂薄膜的制备 2

1.4 MoS₂薄膜的应用 3

1.5 单层MoS₂的研究进展 4

1.6 二硫化钼的薄膜特性与厚度的关系 5

1.7与水的接触角 5

1.8 本论文的研究内容 7

第二章 基础理论和计算软件 8

2.1 密度泛函理论 8

2.1.1 Hohenberg-Kohn定理 8

2.1.2 构建密度泛函理论的框架 9

2.2 广义梯度近似GGA 10

2.3 密度泛函理论的意义 10

2.4 Materials Studio软件 10

2.5 VASP文件计算的准备文件 11

2.5.1 VASP软件的简介 11

2.5.2 VASP包含的主要输入文件 11

3.2.3 输出文件 12

第三章 模型的建立和VASP计算文件 13

3.1 模型的建立 13

3.2两种不同的计算方法 16

3.2.1 vdW-DF 16

3.2.2 DFT-D2 17

3.2.3 两种方法的区别 18

第四章 VASP计算结果和接触角计算 19

4.1 12个模型的vasp计算结果 19

4.2 表面能的计算 20

4.3 与水的接触角的计算 23

4.3.1 二硫化钼的表面张力 23

4.3.2 模型层厚与接触角的关系 24

第五章 结论 26

参考文献 27

致谢 29

第一章 绪论

1.1引言

在全世界科学技术的快速发展下，半导体技术的发展也是十分迅速的。半导体是目前最新的科技产业的基础材料之一，产品技术的发展能够使网络、快速计算、通信的发展向前推进，在很多的领域都占据了十分重要的地位。但本征石墨烯并不存在带隙这一个问题使石墨烯^[1]在逻辑电路中的应用受到了很多的条件限制，这导致了研究人员去研究新的二维材料。类石墨烯结构的层状过渡金属硫化物(TMDs)具有许多类似石墨烯的性质，除此之外还有石墨烯不具有的禁带宽度，在电子器件应用方面有许多优于石墨烯的特性，为二维半导体物理的实现提供了可能^[2]。

二维二硫化钼是TMDs中最为人们所关心的一种结构，它的模型结构和石墨烯十分的相似。我们都知道块体MoS₂的禁带宽度是1.23 eV，属于n型半导体材料，而在层数的减小的影响下，MoS₂的禁带宽度会减小，电子跃迁的方式也从间接的变为直接的。当MoS₂还原为单层时，它的能带结构转会成为1.8eV的直接带隙，能获得很好的发光效率，在光电领域十分受欢迎。另一方面，这些独特的性能预示着 MoS₂ 可被广泛应用于具有高载流子迁移率和高电流开关比的场效应管、电致发光器件以及光探测器中^[3]。虽然在MoS₂的电子、光学和自旋电子学特性方面的研究有很大的进展，但是MoS₂的润湿性还没有具体研究。从基本应用的角度来看，MoS₂原子层的润湿性是非常重要的。为了达到应用的目的，表面性质如粘附性、疏水性、润湿性和环境相容性是很重要的，这些性质取决于表面的化学成分、结晶度和拓扑结构^[4]。因此从微观原子的角度，来研究MoS₂薄膜的表面能与润湿性的关系，与厚度的影响是非常有必要的。

1.2 MoS₂的结构

体材料MoS₂具有和石墨相类似的层状结构，它分类在六方晶系中，由MoS₂的分子堆垛而成，层与层之间的距离为6.5Å，层内是由较强的Mo-S化学键结合，分子层之间则是通过范德瓦耳斯力实现层与层的相互作用，所以MoS₂也类似石

墨一样容易解理得到薄层甚至是单层结构^[5]，这一特点对MoS₂在微电子和器件专业的大数量生产应用有十分重要的意义。但对比体材料，单层MoS₂是类石墨烯的直接带隙半导体，实验和理论研究显示了它的直接带隙都在1.90 eV左右^[6]。

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