石墨烯PdPS二维复合材料的电学和光学性质的理论研究文献综述

 2022-02-06 18:57:03

全文总字数：5280字

利用密度泛函理论研究了石墨烯吸附在二硫化钼单层膜上的几何结构和电子结构。研究发现，无论吸附排列如何，石墨烯与MoS2的层间距为3.32埃，每C个原子的结合能为-23mev，石墨烯与MoS2之间的相互作用较弱。对电子结构的详细分析表明，由于MoS2引起的驻场能量的变化，在MoS2/石墨烯复合物中可以保留石墨烯的近线性带频散关系（the nearly linear band dispersion relation），并伴有一个小的带隙(2mev)开口。这些发现对这一新合成系统的实验研究提供了有益的补充，并为设计需要有限带隙和高载流子迁移率的器件提供了一条新的途径。

介绍

自2004年石墨烯被发现独立存在以来，人们对探索其独特的物理和新应用产生了极大的兴趣。这种双能级(two-dimensional)晶体的独特性主要是由于其特殊的能带结构，和*带在费米能级(Fermi level)附近呈线性色散，它们在一个点上接触。这种电子结构衍生出的多种物理和化学特性使得石墨烯具有广泛的应用前景。此外，石墨烯具有较大的表面积、较高的化学容限、较高的稳定性和良好的导电性，这表明石墨烯薄片有望作为改善金属氧化物和金属硫化物电化学和电催化性能的基质。

事实上，最近在许多复合体系中已经发现了有趣的物理现象，如Ni(OH)2/石墨烯复合体系，SnO2/石墨烯复合体系等。特别是最近，二硫化钼/石墨烯复合体系引起了广泛的实验关注，并在实验中成功合成。Chang等人首次报道了一种在石墨烯上生长二硫化钼层以形成二硫化钼/石墨烯复合的简便的原位溶相还原方法（situ solution-phase reduced method）。他们的实验结果表明，在石墨烯表面生长二硫化钼可以提高石墨烯的电导率和电化学性能。几乎与此同时，Dai等人首次合成了MoS2/grapheme复合产物，该杂化产物具有明显的高析氢反应电催化活性，过电压低，塔费尔斜率小。更重要的是，Coleman等人证明了他们的溶剂剥落法（solvent-exfoliation）可以很容易地生成二硫化钼/石墨烯复合物。他们的实验结果表明，石墨烯的加入显著提高了MoS2单分子层的直流电导率（dc conductivity），而不会降低在热电研究中至关重要的塞贝克系数（Seebeck coefficient）。此外，最近Chang等人最近开发了一种利用L-半胱氨酸辅助溶液相控法合成MoS2/石墨烯复合物的简便方法。结果表明，所制备的二硫化钼/石墨烯复合材料作为锂离子电池的负极材料，具有良好的电化学性能。

然而，与实验制备MoS2/石墨烯复合体系的进展相比，目前还没有从理论角度对该新体系的电子性能进行详细的分析。因此，在目前的工作中，我们利用DFT计算方法研究了吸附在二硫化钼单分子层上的石墨烯的原子和电子结构。它发现，石墨烯与二硫化钼的相互作用使石墨烯Dirac点的线性带发生轻微变化。我们的研究结果对这一新的合成系统的实验研究提供了有益的补充，并为设计需要有限带隙和高载流子迁移率的器件提供了一条新的途径。

计算方法

我们所有的计算，包括几何松弛(geometry relaxation)和电子结构计算，都是在VASP的程序包中实现的投影仪(projector)增广波法(augmented wave method)的基础上，利用密度泛函理论进行的。采用局部密度近似（local density approximation）来描述交换关联（exchange-correlation）相互作用。众所周知，由于DFT的缺陷，LDA会低估能量差。然而，带的占据态(occupied state)和色散、带结构的特征以及带隙的相对变化在质量上是合理和可靠的。计算中电子波函数的动能截止为400ev。采用蒙氏充填法对布里渊区进行5* 5*1 k采样。在每个离子上的原子力都小于0.02 eVAring;-1之前，进行结构弛豫(structure relaxations)。

对于MoS2单分子层，计算得到的晶格常数与之前的理论结果非常吻合。石墨烯和二硫化钼之间的界面采用如图1所示的超胞进行建模。该超胞包含一个石墨烯单层和一个MoS2单层。在垂直于界面的方向上使用了一个17埃的真空层，表示了孤立板（isolated slab）边界条件。我们设定了石墨烯与MoS2单层之间的可公度条件，石墨烯的横向周期（lateral periodicity）为5*5, MoS2单层的横向周期为4*4，其中晶格失配率为1.9%。为了关注吸附在MoS2上的石墨烯的基本性质，我们为三角形晶格a=12.26埃选择了一个横向晶格参数，并对隔离石墨烯进行了优化。与之前研究的基于石墨烯的复合系统相比，这种晶格失配值非常小。我们还发现，将石墨烯设置为晶格与MoS2单层匹配的反向匹配过程，计算结果没有明显差异。这表明，为匹配晶格参数而引入的人工应变对主要结论没有影响。事实上，这种微小的晶格失配对电子结构的影响可以忽略不计，在最近对类似的基于石墨烯的混合系统的计算中得到了很好的证明和报道。

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