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【6h】

基于第一性原理的二硫化钼纳米带电子结构和磁性质的理论研究

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目录

摘要

第一章 绪论

1.1 过渡金属硫属化合物

1.2 体相和单层MoS2的基本性质与器件应用

1.2.1 MoS2材料的基本性质

1.2.2 基于MoS2材料的电子器件

1.3 MoSz纳米带的基本性质及改性研究

1.3.1 MoS2纳米带的基本性质

1.3.2 MoS2纳米带的改性

1.4 本文的主要研究内容和目的

参考文献

第二章 理论基础和计算方法

2.1 绝热近似

2.2 单电子近似

2.3 密度泛函理论

2.3.2 Kohn-Sham方程

2.3.3 交换关联泛函

2.3.4 赝势方法

2.4 弱范德华力

2.5 VASP程序简介

参考文献

第三章 边缘钝化诱导锯齿形MoS2纳米带的单边铁磁性

3.1 引言

3.2 模型和计算方法

3.3 结果与讨论

3.3.1 ZMoS2NR的结构研究

3.3.2 O边缘钝化ZMoS2NR的电子结构

3.3.2 O边缘钝化ZMoS2NR的磁结构

3.4 本章小结

参考文献

第四章 过渡金属元素掺杂扶手椅型MoS2纳米带的电子结构和磁性质

4.1 引言

4.2 模型和计算方法

4.3 结果与讨论

4.3.1 过渡金属元素掺杂AMoS2NR的结构稳定性

4.3.2 3d、4d过渡金属元素掺杂AMoS2NR的磁性

4.3.3 掺杂浓度对AMoS2NR磁性的影响

4.3.4 过渡金属元素掺杂AMoS2NR的居里温度

4.4 本章小结

参考文献

第五章 边缘钝化诱导扶手椅型MoS2纳米带的间接-直接带隙转变及其光学应用

5.1 引言

5.2 模型和计算方法

5.3 结果与讨论

5.3.1 纯扶手椅型MoS2纳米带和全H钝化后的电子结构

5.3.2 不同钝化类型的扶手椅型MoS2纳米带的电子结构

5.4 本章小结

参考文献

第六章 总结和展望

致谢

攻读硕士学位期间发表的学术论文

声明

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摘要

近年来,层状二硫化钼作为典型的过渡金属硫属化合物,由于其奇异的电子结构、催化性质、光伏性质和储能性质而备受关注。体相的MoS2是带隙为1.29eV的间接带隙半导体,而层间存在的弱范德华力使得其可以剥离得到单层MoS2——带隙约1.8eV的直接带隙半导体,展现出很强的光吸收、荧光和光电导性质。随着对MoS2研究的深入,科学家们对具有量子尺寸限制效应的MoS2纳米带进行理论研究和实验制备。由于剪切方向的不同,产生锯齿形和扶手椅型两种边缘的MoS2纳米带。本论文中,采用第一性原理研究边缘钝化和过渡金属元素掺杂对MoS2纳米带的光、电、磁性质调控。主要内容如下:
  (1)基于密度泛函理论研究了锯齿型纯二硫化钼纳米带(ZMoS2NR)和边缘O原子钝化后的电子结构、磁性质和稳定性。纯ZMoS2NR是具有铁磁边缘态的磁性金属,而边缘钝化降低了边缘不饱和电子的数量从而降低了总磁矩。很明显,ZMoS2NR的电子结构和磁性质取决于边缘态。当两边被O原子钝化,ZMoS2NR是非磁金属;当单边被O原子钝化,体系展现出单边铁磁态,磁性集中在未钝化的一边。因此,边缘钝化不仅可以调节ZMoS2NR的磁性,还消除了不饱和键,提高了结构稳定性。这些发现打开了ZMoS2NR在纳米器件和自旋电子器件方面的应用。
  (2)通过密度泛函理论研究了全H钝化扶手椅型二硫化钼纳米带(AMoS2NR)的电子结构、磁性质和稳定性。全H钝化AMoS2NR是非磁半导体,但是过渡金属元素掺杂可以使得AMoS2NR展现出多种多样的性质(非磁金属态、磁性半导体态、非磁半导体态、半金属态)。电子结构分析表明过渡金属掺杂AMoS2NR的磁性主要集中在掺杂原子和边缘Mo原子上,取决于金属原子的晶场劈裂能和交换劈裂能竞争作用。更重要的是,Mn掺杂AMoS2NR具有长程铁磁性、良好的稳定性、可靠的居里温度,因而适合于作为自旋电子器件材料。
  (3)最后,对未钝化和钝化的扶手椅型二硫化钼纳米带的电子结构进行研究,发现边缘态对其性质有重要的影响。AMoS2NR是非磁半导体,随着带宽的增加,会产生间接-直接带隙转变。边缘钝化作为一种有效调控AMoS2NR的能带工程是因为可以实现电荷的重新分布。通过选择合适的官能团和钝化类型也可以实现间接带隙到直接带隙的转变。结果发现全H、NH2钝化和OH的部分钝化可以实现间接-直接带隙半导体转变,也提高了体系的稳定性。这些有趣的发现将会促发AMoS2NR进一步应用在光电子器件中。

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