二維過渡金屬硫化物的光學(xué)性質(zhì)與電化學(xué)性質(zhì)探討.pdf

1、二維層狀過渡金屬硫化物因其獨(dú)特的電子結(jié)構(gòu)和相應(yīng)的物理、化學(xué)性質(zhì)而備受關(guān)注，成為當(dāng)前材料研究的熱點(diǎn)之一。本論文采用基于密度泛函理論的第一性原理計(jì)算、多體微擾GW方法以及Bethe-Salpeter方程分別研究了體相和單層二硫化鉬的電子結(jié)構(gòu)與光學(xué)響應(yīng)以及二硫化釩的電子結(jié)構(gòu)等基本性質(zhì)，并在此基礎(chǔ)上探討了二維過渡金屬硫化物在光學(xué)領(lǐng)域以及二次電池中的潛在應(yīng)用。論文主要包括以下內(nèi)容:
　　(1)我們以體相二硫化鉬材料作為研究對(duì)象，通過GW方法

2、和Bethe-Salpeter方程計(jì)算了體相二硫化鉬的介電函數(shù)和折射率等光學(xué)性質(zhì)。我們確認(rèn)了體相二硫化鉬作為典型單軸晶體的特性:體相二硫化鉬在低能端，包括整個(gè)可見光區(qū)域存在很大的各向異性，其各項(xiàng)異性參數(shù)的平均值達(dá)到2.5以上;通過解析麥克斯韋方程組，我們分析了電磁波從各項(xiàng)同性介質(zhì)到體相二硫化鉬的傳播過程。我們發(fā)現(xiàn)體相二硫化鉬由于其自身的各向異性因而能夠強(qiáng)烈地調(diào)制電磁波的傳播，使得電磁波在入射角從0到90度范圍內(nèi)都可能產(chǎn)生負(fù)折射現(xiàn)象。這是

3、首次在體相二硫化鉬中發(fā)現(xiàn)此現(xiàn)象。接著我們使用有限時(shí)域差分算法研究了電磁波在體相二硫化鉬中發(fā)生負(fù)折射現(xiàn)象的效率。對(duì)于厚度為0.1微米的體相二硫化鉬樣品，我們計(jì)算發(fā)現(xiàn)約59.5％的入射光發(fā)生了負(fù)折射撒。本項(xiàng)研究表明層狀二硫化鉬材料能夠有效地實(shí)現(xiàn)光的負(fù)折射，從而指出了二維過渡金屬硫化物在光學(xué)領(lǐng)域一個(gè)新的研究方向。
　　(2)我們探索并提出了一種基于單層二硫化鉬的應(yīng)變傳感器技術(shù)。利用GW方法和Bethe-Salpeter方程，我們系統(tǒng)研究

4、了由應(yīng)變所導(dǎo)致的單層二硫化鉬光學(xué)性質(zhì)的改變。施加線性拉伸應(yīng)變可以調(diào)諧單層二硫化鉬的光學(xué)性質(zhì)，得到準(zhǔn)線性的反射率紅移譜?；诰€性移動(dòng)的特性，我們?cè)O(shè)計(jì)制作了新型單層二硫化鉬可調(diào)諧反射式光柵。對(duì)這種反射式光柵施加應(yīng)力能夠改變單層二硫化鉬的反射率，從而引起衍射屏上一級(jí)衍射光強(qiáng)度的重新分布。我們成功計(jì)算了衍射屏上一級(jí)衍射光強(qiáng)度的分布。通過對(duì)一級(jí)衍射光強(qiáng)度分布的分析可以最終確定材料所受的應(yīng)變大小。我們的研究表明這種單層二硫化鉬可調(diào)諧反射式光柵能夠作

5、為一個(gè)簡(jiǎn)易的、遠(yuǎn)程的測(cè)量柔性電子器件應(yīng)變的設(shè)備裝置。
　　(3)我們初步討論了一類新型二維過渡金屬硫化物二硫化釩在二次電池中的應(yīng)用。利用密度泛函理論，我們研究了單層及體相二硫化釩作為負(fù)極材料應(yīng)用與鋰和鈉離子電池時(shí)的吸附能和擴(kuò)散系數(shù)。我們的計(jì)算表明，以二硫化釩作負(fù)極材料的二次電池能夠?qū)崿F(xiàn)較低的輸出電壓和高達(dá)466毫安時(shí)/克的電池容量。相比體相二硫化鉬，以體相二硫化釩作負(fù)極材料的鋰和鈉離子電池的擴(kuò)散系數(shù)要分別高出三和七個(gè)數(shù)量級(jí)。另一方