单层二硫化钼光学性质的第一性原理计算.pdf

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1、第５３卷第４期厦门大学学报（自然科学版）Ｖｏｌ．５３Ｎｏ．４２０１４年７月ＪｏｕｒｎａｌｏｆＸｉａｍｅｎＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ（ＮａｔｕｒａｌＳｃｉｅｎｃｅ）Ｊｕｌ．２０１４ｄｏｉ：１０．６０４３／ｊ．ｉｓｓｎ．０４３８－０４７９．２０１４．０４．００５单层二硫化钼光学性质的第一性原理计算杨志鹏，吴顺情，文玉华，朱梓忠＊（厦门大学物理与机电工程学院，福建厦门３６１００５）摘要：采用基于密度泛函理论的第一性原理方法计算了单层和体材料二硫化钼（ＭｏＳ２）的电子能带结构及光学性质．在能带结构计算的基础上，计算了单层和体材料ＭｏＳ

2、２的介电函数虚部及实部，并导出了单层ＭｏＳ２的能量损失谱、吸收系数、反射率、折射率和消光系数等．同时给出了体材料及单层ＭｏＳ２介电函数图像中各峰值与对应的能带带间跃迁之间的关系．所得结果与实验结果及现有的理论结果相符合．关键词：二硫化钼；单层；光学性质；第一性原理计算中图分类号：Ｏ４８１文献标志码：Ａ文章编号：０４３８－０４７９（２０１４）０４－０４５９－０６二硫化钼（ＭｏＳ２）作为典型的过渡金属层状二元化合物，其热稳定性和化学稳定性良好，被广泛应用１计算方法［１－５］［６－７］［８－９］于固体润滑剂、电极材料和反应催化

3、剂等领域．早在１９８６年，就有人通过插入锂的方法成功剥离本文的计算采用基于ＤＦＴ理论的第一性原理方［１０］［１１］［１２］出单层ＭｏＳ２．近年来，通过溶剂或裂解的方法，使用的程序包是Ｖｉｅｎｎａａｂｉｎｉｔｉｏｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｐａｃｋａｇｅ［１６－１７］法制备单层ＭｏＳ２的方法也有报道．如今，作为典型的（ＶＡＳＰ）．该程序包采用平面波展开，映射缀加波势类石墨烯单层过渡金属化合物，单层ＭｏＳ凭借其优［１８］２（ｐｒｏｊｅｃｔｏｒａｕｇｍｅｎｔｅｄ－ｗａｖｅｐｏｔｅｎｔｉａｌｓ，ＰＡＷ）以及局秀的光学和电学性质在辅助石墨

4、烯甚至替代石墨烯［１９］域密度近似（ＬＤＡ）形式的交换关联势．计算时平面［１３］上有着很好的前景，在晶体管制造和电子探针的应波截断能量为３６０ｅＶ，所有结构均弛豫至原子间作用［１４］用等方面也受到人们的关注．力小于１×１０－４ｅＶ／ｎｍ．布里渊区的积分采用ＭｏＳ［２０］２是间接带隙半导体材料，其禁带宽度为Ｍｏｎｋｈｏｓｔ－Ｐａｃｋ特殊ｋ点取样方法，对于单层［１５］１．２９ｅＶ，而单层ＭｏＳ２则是直接带隙半导体材料，ＭｏＳ２，选取了７×７×１的ｋ－网格．计算时使用超原胞［１１］禁带宽度为１．８ｅＶ．到目前为止，对于ＭｏＳ２

5、体材和周期性边界条件，单原子层薄片方向为ｘ、ｙ方向，ｚ料的电子结构和表面性质有了大量的理论和实验研方向取为３００ｎｍ厚的真空层，以消除原子薄片间的究，但是对其光学性质，尤其是单层ＭｏＳ２的光学性质相互作用．的研究还比较少．近年来，基于密度泛函（ＤＦＴ）理论ＭｏＳ２属于简单六角结构（见图１（ａ））．体结构的的第一性原理方法越来越多地被运用于计算材料的ＭｏＳ２晶体在自然界中自然存在，层与层之间由范德光学性质．本文中，我们采用ＤＦＴ理论框架下的缀加瓦尔兹力联系．ＭｏＳ２（２Ｈ－ＭｏＳ２）体材料是由两层Ｓ原投影平面波方法，使用局

6、域密度近似，对单层ＭｏＳ２的子与一层Ｍｏ原子堆叠形成的三明治状的层状结构相能带结构、态密度及光学性质如能量损失谱、吸收系对堆叠而成的（见图１（ｂ））．当联系层与层间的键被切数、反射率、折射率和消光系数等进行了比较全面的断时，体材料的ＭｏＳ２便切割为单层ＭｏＳ２（１Ｈ－计算，并将结果与现有的理论结果相比较．ＭｏＳ２，如图１（ｂ））．ＭｏＳ２属于单轴晶体，其结构在平行于ａ轴方向与平行于ｂ轴方向上完全相同，但在ｃ轴方向上（图１（ａ））则与前二者不同．因此，在计算的时候，可以将电矢量Ｅ区分为垂直于ｃ轴（Ｅｃ（ω））和⊥收稿日期：

7、２０１３－１０－１５平行于ｃ轴（Ｅｃ（ω））２个方向进行计算．∥基金项目：国家自然科学基金（１０７７４１２４，１０７０２０５６）计算获得的单层ＭｏＳ２的晶格常数为ａ＝ｂ＝＊通信作者：ｚｚｈｕ＠ｘｍｕ．ｅｄｕ．ｃｎ０．３１２ｎｍ，Ｍｏ与Ｓ之间形成共价键的键长为·４６０·厦门大学学报（自然科学版）２０１４年０．２４１１ｎｍ，Ｓ—Ｍｏ—Ｓ之间形成的较大的键角为８０．９４°，较小的键角为４６．２１°，与文献［２１］的研究结果非常相近．图１ＭｏＳ２体材料的顶视图（ａ）和侧视图（ｂ）Ｆｉｇ．１ＴｏｐｖｉｅｗｏｆｂｕｌｋＭｏＳ２（ａ）

8、图２单层ＭｏＳ２的能带（ａ）和分态密度（ｂ）ａｎｄｓｉｄｅｖｉｅｗｏｆｂｕｌｋＭｏＳ２（ｂ）Ｆｉｇ．２Ｂａｎｄｓｔｒｕｃｔｕｒｅ（ａ）ａｎｄＤＯＳｆｏｒｓｉｎｇｌｅ－ｌａｙｅｒＭｏＳ２（ｂ）介电函数ε（ω）是一个二阶张量，对于简单六角结２计算结果及讨论构，介电函数分为平行及垂直于ｃ轴２个方向的２个部分．图２（ａ）给出