摘要
二维材料无论在制备和应用都取得了巨大成功，但随着研究的深入，发现单一的二维材料在应用方面往往存在局限性。为此，研究者将目光投向了范德瓦尔斯异质结，其通过垂直堆叠两种二维材料形成，依靠两个二维材料层间微弱的范德华力结合在一起。与传统的体材料异质结相比，对于材料的晶格匹配度要求不严格，这样就可以通过构建多种范德瓦尔斯异质结结构，寻找新颖的物理性质，这些范德瓦尔斯异质结性质往往可以结合每个单层的优异性能，这对于开发新型应用极为有利，因此探索范德瓦尔斯异质结构的工作也变得更加有意义。 本工作中的所有第一性原理计算均基于密度泛函理论并通过VASP模拟软件包实现。本文重点研究了几种二维过渡金属硫属化合物（TMDs）材料及其异质结的电子与光学性质，其中研究内容主要包括结构参数、稳定性、声子谱、能带结构、态密度、能带排列，平均静电势、电荷分布与转移，吸收光谱等。这些结果可为寻找和设计新型光电子器件提供理论支持。具体研究如下： 1.计算了TMDs家族中的WS2，WSe2和WTe2单层的晶格常数、能带结构、电子态密度和光学性质，并且考虑了自旋轨道耦合对其能带结构的影响。同时研究了双轴应变对WS2，WSe2和WTe2单层的结构参数、电子性质以及光学性质的影响，最后分析了双轴应变对单层电子结构和光学性质影响的机制问题。 2.对于As/MoTe2范德瓦尔斯异质结构，考虑了六种可能的高对称堆叠方法，并通过结合能和声子谱确定了它们的稳定性。HSE06混合泛函用于分析投影能带结构，电子态密度和光学性质。结果表明，As/MoTe2异质结具有1.504eV的中等直接带隙，并表现出I型能带排列，并且对可见光和紫外光具有明显的吸收。同时分析了异质结构的电荷分布和转移。最后，还考虑了不同的层间距离和双轴应变对As/MoTe2异质结的电子和光学性质的影响，发现双轴应变和层间距离可以有效地调节电子和光学性质。 3.首先计算了SnS2和InN单层的结构性质和电子性质。对于InN/SnS2异质结构，考虑使用不同的原子堆叠方法，通过比较形成能大小找出最稳定的结构。重点分析了投影能带结构，电子态密度，能带排列和电荷分布与转移。结果表明，InN/SnS2异质结构呈现II型能带排列的间接带隙，这有助于电子和空穴的分离。同时计算了InN/SnS2异质结构的光学性质。合适的带隙、II型能带排列、较大的能带偏移以及良好的光吸收为InN/SnS2异质结构提供了形成高效太阳能电池的机会，其中InN作为电子供体，SnS2作为电子受体。 4.通过第一性原理计算研究了InN/PtX2(X=S,Se)范德瓦尔斯异质结构的电子和光学性质的影响。最稳定的InN/PtX2(X=S,Se)异质结构都具有间接带隙和较大带偏的II型能带排列，这非常有利于光生电子-空穴对的分离和太阳能转换效率的提高。而且InN/PtX2(X=S,Se)异质结构具有从可见光到紫外光的明显光吸收。InN/PtX2(X=S,Se)异质结构的电子和光学性质可以通过施加双轴应变来调节，InN/PtX2(X=S,Se)异质结构可调节电子和光学性质的优异性能为光电器件的应用提供了机会。
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