摘 要

本设计主要采用第一性原理方法计算，从理论上分析应力、掺杂等对MoS₂（二硫化钼）的光电特性的影响。应力会使体系中的原子的产生相对的位置变化，掺杂能改变晶体中的原子质量比，通过调整物质的电子结构来改善二硫化钼的光电特性，对这两种影响因素的结果分析能为采用单层二硫化钼制备性能优异的光电器件提供重要的指导参考。

论文主要研究了在应力和掺杂的影响下（本设计的应力范围为-10%-10%，间隔为2%和掺杂元素铌(Nb)、元素锑(Sb)），单层MoS₂的能带结构、态密度的变化对其光电性质的影响。

结果表明：在应力的作用下MoS₂的能带结构由直接带隙转变为间接带隙，在 2%的拉伸应力的作用下，二硫化钼的能带带隙增至1.903 eV；掺杂元素锑对二硫化钼的光电特性的影响最为明显，会增加介电常数和增大能量损失效果突出等。对比各项计算结果与理论值，发现两者是基本相符。

本文的特色：采用方案中应力范围的间隔为2%，能详细直观地分析应力对光电特性的影响效果；对于元素Nb和元素Sb的掺杂是相关研究很少涉及的领域，具有创新性。

关键词：二硫化钼；应力；掺杂；能带；光电特性

Abstract

This design uses first-principles calculation method, theoretical analysis of stress, doping on optoelectronic properties of MoS₂.Stress causes the change in relative position of the atomic system, doping can change the atoms mass ratio in the crystal. By adjusting the electronic structure of the material to improve the optical properties of MoS₂, and these two factors analysis of the results of monolayer of MoS₂ can provide important reference guide for the excellent performance of photovoltaic device.

Thesis studied the changes of band structure and the density of states of monolayer MoS₂ which affects its optoelectronic properties under the impact of the stress and doping. (The stress range is between -10% and 10%, 2% interval and the doping element is niobium (Nb) and the element antimony (Sb))

The results show that: the role of stress in the band structure of MoS₂ make itself from direct bandgap into indirect bandgap, and under the effect of two percent of tensile stress, the bandgap of MoS₂ increased to 1.903 eV; The impact of Sb-doped for the optoelectronic properties of MoS₂ is the most obvious, which increases the dielectric constant and the loss function and other prominent effect. Comparison of the calculated results with theoretical values found that they are both in the basic line.

Features of this article: the program in the stress range interval is 2%, which can visually analyze the impact of stress on the optoelectronic properties at details. And it is innovative for using elements Nb and Sb to dope MoS₂, which is not involved in the related field of research.

Key word: MoS₂; Stress; doping; band; optoelectronic properties

目 录

摘 要 I

Abstract II

第1章 绪论 1

1.1 引言 1

1.2 二硫化钼的简介 1

1.3 二硫化钼的国内外研究现状 2

1.4 二硫化钼的光电特性的研究 2

第2章 模拟计算的理论基础 4

2.1 引言 4

2.2 第一性原理 4

2.3 密度泛函理论 5

2.4 交换关联泛函 5

2.5 Materials Studio计算软件简介 5

第3章 应力对二硫化钼的影响 6

3.1 引言 6

3.2计算操作方法 6

3.3 二硫化钼的电子结构 7

3.4 二硫化钼的电子态密度 10

3.5 二硫化钼的介电函数 11

3.6 二硫化钼的复折射率 12

3.7 单层二硫化钼的光电导率 13

3.8 单层二硫化钼的能量损失函数 14

第4章 掺杂对二硫化钼的影响 16

4.1 引言 16

4.2 计算操作方法 16

4.3 二硫化钼的电子结构 17

4.4 二硫化钼的电子态密度 18

4.5 二硫化钼的介电函数 21

4.6 二硫化钼的复折射率 22

4.7 二硫化钼的光电导率 22

4.8 二硫化钼的能量损失函数 23

第5章 总结与展望 25

5.1 总结 25

5.2 展望 25

参考文献 26

致 谢 27

第1章 绪论

1.1 引言

随着当今高端科技的发展，纳米材料的发现探索到纳米电子元器件的应用造福人类，其中不仅意味着器件几何尺寸的变小，其深藏意义更在于当物理尺寸缩小到一定数量级时，量变可就引起质变的产生。而且随着电子、声子平均自由程等增加或减少，引起材料的声、光、电、力等物理性质跟着变化。从变化结果分析，就会发现一些新奇且引人注目的特性，通过对它们的研究，得出的结果引起人们对现有量子力学规律的重视，继续探测新的特性，建立对客观世界的新的见解，破旧出新。从实际应用推动社会的发展和更有效地服务社会的角度来看，具有优秀和新颖特性的纳米材料为设计、发展新产品提供了无限可能。

1.2 二硫化钼的简介

最初，人们发现了MoS₂有着很优秀的润滑性，原因是其很适用于高压高温的设备环境，有着良好美誉，被称为“高级固体润滑剂王” ^[1]。抗磁性是其第二的突出优秀性质，在制作线性光电导和测试导电性能的半导体中发挥着其优秀特性，其主要效果是达到整流和换能的目的。一般情况下，二硫化钼通常呈六角晶系结构，一般由天然钼精矿粉经化学提纯后引起分子结构的改变而转变成固体粉剂，表现为光泽灰色的粉末（如图1.1(a)），当处于高温、高压、高负荷的机械设备工作环境中，其功能是能达到延长设备的使用周期。二维（即单层）二硫化钼的层状结构是由两层的硫原子层与一层钼原子层叠加形成的夹心状构成。若是块状材料，则单层之内钼元素原子与硫元素原子以共价键键合，层之间由很小的范德瓦耳斯力联系起来的，通过物理切割，即切断层与层之间的弱范德瓦耳斯力，那么块状材料则成为单层二硫化钼薄膜（如图1.1(b)）。

二硫化钼有突出的物理性能，而石墨烯材料自身的无带隙结构使其不能用作逻辑电路的制造。相关研究发现二硫化钼是非常适合成为新型材料来制作晶体管。二硫化钼的单层结构的能带带隙为1.9 eV左右，这是石墨烯材料所不能具有的性能 ^[2]。因此在纳米晶体管领域中二硫化钼存在宽广的应用发展空间。