缺陷對二維材料生長和光電性質(zhì)影響與調(diào)控的理論研究.pdf

1、以石墨烯、硫化鉬為代表的低維納米材料，由于具有豐富的結(jié)構(gòu)、良好的穩(wěn)定性和優(yōu)異的物理化學(xué)性質(zhì)，在電子、光電子器件、傳感器和能源材料等領(lǐng)域展現(xiàn)了巨大的應(yīng)用前景，是當(dāng)前物理、化學(xué)、材料科學(xué)等眾多領(lǐng)域的研究熱點。但是任何材料的生長都無法避免缺陷的引入，同時缺陷對于材料的實際應(yīng)用是必不可少的。為了實現(xiàn)器件的功能化以及性質(zhì)的精確調(diào)控，需要深入研究襯底、表面和界面處的缺陷對二維材料電子性質(zhì)的影響與對應(yīng)的物理化學(xué)機制。本論文基于第一性原理密度泛函理論方

2、法，研究了一種含缺陷的復(fù)雜表面上計算吸附能分布的多尺度模擬方法、二硫化鉬表面空位缺陷對其電子輸運和光學(xué)性質(zhì)的調(diào)控機理以及石墨烯/二硫化鉬及雙層二硫化鉬的電子結(jié)構(gòu)隨層間轉(zhuǎn)動的依賴關(guān)系。
　　主要研究內(nèi)容包括以下幾個方面:
　　1)含缺陷的復(fù)雜表面上計算吸附能分布的多尺度方法?；瘜W(xué)氣相沉積法制備的石墨烯的質(zhì)量與其初始成核過程密切相關(guān)。為了理論研究襯底位錯與晶界對石墨烯生長成核的影響，需要模擬表面復(fù)雜的大型原子體系，而這是第一性原

3、理計算難以解決的。為此，發(fā)展了一種第一性原理和分子力場相結(jié)合的多尺度模擬方法來計算這種非均勻應(yīng)變表面的局域性質(zhì)分布。這一方法的主體思想是利用原子應(yīng)變的概念作為橋梁來關(guān)聯(lián)不同尺度的計算，將第一性原理無法直接處理的大尺寸缺陷表面轉(zhuǎn)化為相對簡單的系列抽樣計算和表面局域幾何結(jié)構(gòu)分析，從而得到了第一性原理精度上的表面吸附能分布圖像。該方法還可推廣到其他非均勻表面如彎曲或皺褶體系的各種局域性質(zhì)的描述?；谶@一多尺度方法，發(fā)現(xiàn)，位錯或晶界缺陷核心位置

4、可以將表面C原子的吸附能提升約1eV。在1000K的反應(yīng)溫度下，靠近和遠(yuǎn)離缺陷核心區(qū)域之間的碳原子濃度之比可達到104數(shù)量級，從而揭示了襯底缺陷對表面擴散原子極強的俘獲作用，闡明了多晶金屬襯底不適合CVD生長高質(zhì)量石墨烯的原因。
　　2)二硫化鉬空位缺陷對其電子和光學(xué)性質(zhì)的影響。實驗上單層MoS2晶體管的遷移率比理論值低1-2個數(shù)量級。針對這一問題，通過第一性原理計算與實驗的有機結(jié)合，提出了缺陷局域態(tài)主導(dǎo)的電子躍遷輸運機制:硫空位

5、缺陷在MoS2禁帶中引入非常局域的缺陷態(tài)，電子很容易被局限在這些缺陷態(tài)上，導(dǎo)致電子間的輸運為局域態(tài)之間的躍遷，大大降低了器件遷移率。這一模型成功闡明了硫化鉬低遷移率和本征n型摻雜的物理根源。還提出了通過常溫硫醇化學(xué)表面鈍化的方法來修復(fù)MoS2中硫空位缺陷來實現(xiàn)硫化鉬本征電導(dǎo)以及通過缺陷工程與化學(xué)成鍵的方法來實現(xiàn)硫化鉬光學(xué)性能大幅提升的理論設(shè)想，這一工作為提升材料的光電性能提供了一個全新思路。
　　3)石墨烯/二硫化鉬異質(zhì)結(jié)和雙層二

6、硫化鉬電子性質(zhì)隨層間轉(zhuǎn)動的依賴關(guān)系。垂直堆疊的范德華異質(zhì)節(jié)具有新穎的結(jié)構(gòu)和性質(zhì)，但是其層間轉(zhuǎn)動對性質(zhì)的影響仍不清楚。研究了有轉(zhuǎn)角的石墨烯/二硫化鉬異質(zhì)雙層和雙層二硫化鉬的電子性質(zhì)。結(jié)果顯示，層間轉(zhuǎn)動對Gr/MoS2和MoS2/MoS2的電子結(jié)構(gòu)有明顯的調(diào)制作用。不同轉(zhuǎn)角的Gr/MoS2的能帶結(jié)構(gòu)相互間差異很大，這主要是由層間轉(zhuǎn)動誘導(dǎo)的晶格應(yīng)變以及MoS2自身能帶對晶格應(yīng)變的敏感依賴導(dǎo)致的。單純的層間轉(zhuǎn)動所帶來的影響幾乎可以忽略。此外通過