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《哈尔滨工程大学》 2017年
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d_2族掺杂二硫化钼薄膜的第一性原理研究

滕悦  
【摘要】:近年来二硫化钼薄膜材料因其在电学、光学、润滑及催化等各个方面拥有潜在的应用价值而受到了关注。为提高二硫化钼薄膜的相关性能,目前常用的方法有掺杂、施加应力(包含外加应力和缺陷应力)、外加电场和吸附,这些方法均能改变二硫化钼的电子结构。据已有文献报道可以发现,掺杂会明显改变二硫化钼薄膜的电子结构及性质,本文对d2族掺杂二硫化钼薄膜进行了相关研究。论文对本征二硫化钼薄膜以及d2族掺杂的二硫化钼薄膜进行了第一性原理研究。采用DFT理论并应用MS软件,建立本征及d2族掺杂二硫化钼薄膜的超胞模型,对计算参数进行了收敛性测试实验,结合测试参数对模型进行结构的几何优化。在此基础上,对本征及掺杂二硫化钼薄膜的电子结构、光学性质、弹性常数进行计算及分析。并通过电沉积法制备本征及掺杂薄膜,表征相应的光学性能,并与第一性原理研究结果进行印证比对。计算结果显示,本征二硫化钼薄膜为直接带隙半导体,而掺杂二硫化钼薄膜为间接带隙半导体,带隙由本征态的1.876eV分别减小到0.165eV、0.131eV和0.129eV,同时掺杂使得二硫化钼材料出现新的掺杂能级。光学性质的计算分析结果显示掺杂使得二硫化钼薄膜出现新的紫外光谱的吸收峰,且增加了可见光和红外区域的光在单层二硫化钼薄膜中传播的光频率范围。随着Ti、Zr、Hf的掺杂,紫外吸收的峰值逐渐变大,可见光和红外区域的光在二硫化钼薄膜中传播的光频率范围也逐渐变大。电沉积实验的结果显示,与本征二硫化钼薄膜相比Ti的掺杂使得二硫化钼薄膜的表面形貌变得更加均匀,颗粒很大程度上变小。分析表明,态密度解释了由于掺杂元素的引入减弱了 Mo-4d电子和S-3p所构成的ππ键,减弱了导带底和价带顶电子向高能区方向的移动,从而使得掺杂后带隙变小。并利用差分电荷密度得到掺杂后掺杂原子与硫原子形成了更强的化学键,共享电荷增多,并改变了二硫化钼薄膜的光学性质。通过吸收系数谱图分析了二硫化钼薄膜由于在2.85eV左右出现可见光蓝紫光区域的强吸收峰,解释了薄膜呈现蓝紫色的原因。电沉积实验结果表明相对于本征薄膜,掺杂后在紫外光区出现光的吸收峰,且对可见光的吸收峰值变小,与第一性原理研究得出结果相符。
【学位授予单位】:哈尔滨工程大学
【学位级别】:硕士
【学位授予年份】:2017
【分类号】:TQ136.12;TB383.2

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