基于密度泛函理論探究拉伸應(yīng)變對MoS2光電性能影響

姜 艷，劉貴立，王天爽，王 佼，秦漢起，韓晶晶

(1.北京工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，北京 100042；2.沈陽工業(yè)大學(xué)，沈陽 110870；3.北京北科置地有限責(zé)任公司，北京 101400；4.賀州學(xué)院，賀州 542899)

1 引 言

自2004年，石墨烯在實(shí)驗(yàn)室中被成功剝離出來后，二維納米材料就因其獨(dú)特的結(jié)構(gòu)和優(yōu)越的性質(zhì)而備受關(guān)注.但石墨烯本身帶隙為0 eV，將其應(yīng)用于納米電子器件時，需通過改性等方法改變其帶隙值.而同樣有著優(yōu)異性能的二維材料 MoS2[1-3]，因其本征體具有約1.7-1.9 eV的帶隙，且?guī)秾挾瓤烧{(diào)控，而在微電子等電子器件[4,5]應(yīng)用中成為研究熱點(diǎn).為拓寬其應(yīng)用領(lǐng)域，研究者們嘗試通過摻雜，缺陷，施加應(yīng)力等等方法對其改性，進(jìn)而調(diào)控材料光電性能.例如：Nils[6]研究MoS2納米補(bǔ)丁在Au(111)上的光電特性；He[7]通過應(yīng)變對MoS2的電子結(jié)構(gòu)調(diào)控；Zhu[8]利用磁控濺射制備研究異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)及光學(xué)性能；邵宇飛[9]研究拉伸過程中孿晶界對單層二硫化鉬力學(xué)性能的影響；Akhter Javeed[10]研究隨機(jī)分布缺陷對其力學(xué)性能影響；牛興平[11]研究摻雜對 MoS2的光學(xué)性質(zhì)的影響；王根旺[12]研究過渡金屬二硫化異質(zhì)結(jié)在光電器件的應(yīng)用等等.雖然人們對改性MoS2材料已研究了眾多內(nèi)容，但對單層二硫化鉬進(jìn)行不同程度的拉伸應(yīng)變以改變其光電性能的研究相對很少，因此本文基于第一性原理方法研究了拉伸應(yīng)變對MoS2光電性能的影響，以期望其在電子光電旗艦等方面有更廣泛的應(yīng)用.

2 計算方法

本文運(yùn)用模擬軟件Materials Studio 8.0中的CASTEP模塊進(jìn)行計算模擬.分別對單層二硫化鉬施加0%-30%的拉伸應(yīng)變，進(jìn)而分析不同程度應(yīng)變對材料光電性能影響.采用廣義梯度近似GGA-PBE泛函方法，采用Ultrasoft超軟贗勢，平面波截斷能為450 eV，迭代精度收斂值為 1.0e-6ev/atom.首先對模型進(jìn)行幾何優(yōu)化，再分析模型相應(yīng)的形成能，鍵長，電子結(jié)構(gòu)和光學(xué)性能.

3 計算結(jié)果討論

3.1 結(jié)構(gòu)優(yōu)化及其穩(wěn)定性

本文為運(yùn)用MS模擬軟件建模，如下圖所示,圖1(a)-(b)為本征MoS2俯視圖和正視圖，圖1(c)為施加Z方向拉伸形變的MoS2模型正視圖.模型拉伸應(yīng)變范圍為0%-30%，發(fā)現(xiàn)經(jīng)過優(yōu)化后，模型畸變程度較小，仍類似本征結(jié)構(gòu).

在研究拉伸形變對MoS2光電性能的影響前，本文先對計算了材料的形成能和Mo-S原子鍵長來討論其各個模型的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性.如下公式所示：

Eform=Estru-EMoS2

(1)

其中，Eform為模型的形成能，Estru為模型總能，EMoS2為自由狀態(tài)下本征MoS2總能量.

將各個模型的形成能和鍵長繪制于表1，由數(shù)據(jù)可知，不同的拉伸應(yīng)變確實(shí)對模型的形成能有所影響.為方便觀看趨勢變化，做出形成能和鍵長的變化對比圖2.發(fā)現(xiàn)只要施加拉伸形變，模型的形成能均會增高，即拉伸形變下的MoS2穩(wěn)定性不及本征MoS2.且拉伸程度在5%-10%之間時，形成能隨著拉伸程度的增大而降低，穩(wěn)定性逐漸增大.而拉伸程度在10%-30%之間時，形成能隨著拉伸程度的增大而增大，穩(wěn)定性逐漸降低.因此模型中穩(wěn)定性最強(qiáng)的為本征MoS2，最弱的為拉伸形變?yōu)?0%的MoS2模型.而Mo-S原子鍵長變化趨勢與形成能類似，但當(dāng)拉伸形變?yōu)?0%時鍵長減小，但存在拉伸應(yīng)變的模型鍵長均大于本征MoS2模型.即拉伸形變使Mo-S原子鍵長增大，周圍電荷密度降低，鍵強(qiáng)減弱[13].

3.3 能帶結(jié)構(gòu)和態(tài)密度

為研究拉伸形變對MoS2材料電子結(jié)構(gòu)的影響.本文計算了單層 MoS2及其施加拉伸形變后體系的能帶和態(tài)密度情況.圖3中(a)-(b)為本征MoS2能帶，態(tài)密度圖.本征MoS2整體能級分布平滑，無雜質(zhì)能帶，能級對稱，能隙值為1.722 eV，表現(xiàn)為半導(dǎo)體特性.

本文嘗試用拉伸形變來調(diào)控體系的能隙值，并將不同拉伸形變對應(yīng)的能隙值總結(jié)于表2，并繪制能隙對比圖4.發(fā)現(xiàn)各個模型能隙值處于1.685 eV-1.726 eV范圍之間，依然顯現(xiàn)出半導(dǎo)體特性.拉伸程度在10%以內(nèi)時，能隙值隨著拉伸程度增大而減小，拉伸程度在10%-25%之間時，能隙值隨著拉伸程度增大而增大，且拉伸程度在30%時，能隙值又減小.即拉伸形變可以一定程度上改變Mo-S原子最外層電子的雜化強(qiáng)度及價帶頂和導(dǎo)帶底的電子移動.

表2 能隙值

3.4 光學(xué)性能

吸收和反射系數(shù)與材料的電子結(jié)構(gòu)及材料應(yīng)用密切相關(guān).本文計算了相關(guān)模型對光學(xué)常數(shù).如圖5所示，圖5(a)-(b)為頻率范圍在0-25 eV之間的吸收和反射系數(shù)對比圖，圖5(c),5(e)和圖5(d),5(f)分別為吸收和反射系數(shù)的波峰，低谷放大圖.即反射系數(shù)在3.1 eV左右出現(xiàn)一個反射峰值，在9.15 eV左右出現(xiàn)一個反射低谷，而吸收系數(shù)里面峰值出現(xiàn)在11.5 eV左右，在8.8 eV左右出現(xiàn)低谷.

由圖5(c)可知，在頻率為3.1 eV附近，拉伸形變?yōu)?0%的MoS2模型反射系數(shù)峰值最大，達(dá)到31.45%.且不同拉伸形變MoS2模型對應(yīng)的反射系數(shù)，隨著拉伸應(yīng)變的增加，反射峰值也逐漸增大.而圖5(d)中顯示，吸收系數(shù)的峰值大小并不與拉伸形變正相關(guān).屬于拉伸形變?yōu)?5%的模型對應(yīng)的吸收峰值較大，拉伸形變?yōu)?5%的模型，吸收系數(shù)峰值最小.

圖5(d),5(f)可看出，施加拉伸形變后模型對吸收和反射系數(shù)的低谷值均有些許升高，且當(dāng)頻率范圍在8.8 eV-9.15 eV區(qū)間內(nèi)，模型具有較低的吸收率和反射率，表明其紫外光處有較高的透光率，有望用于制備紫外光傳感器等材料[14, 15].

4 結(jié) 論

通過對單層MoS2施加不同程度的拉伸應(yīng)變，用第一性原理方法探究拉伸應(yīng)變對其光電性能的影響.對比分析了各體系的形成能大小，Mo-S鍵長值，能帶變化趨勢以及吸收系數(shù)和反射系數(shù).發(fā)現(xiàn)整體模型畸變程度不大，仍然類似石墨烯結(jié)構(gòu).拉伸程度在10%-30%之間時，形成能隨著拉伸程度的增大而增大，穩(wěn)定性逐漸降低.即穩(wěn)定性最強(qiáng)的為本征MoS2，最弱的為拉伸形變?yōu)?0%的MoS2模型.拉伸形變使Mo-S原子鍵長增大，周圍電荷密度降低，鍵強(qiáng)減弱.拉伸程度在10%以內(nèi)時，能隙值隨著拉伸程度增大而減小，拉伸程度在10%-25%之間時，能隙值隨著拉伸程度增大而增大，且拉伸程度在30%時，能隙值又減小.頻率范圍在8.8 eV-9.15 eV區(qū)間內(nèi)，模型具有較低的吸收率和反射率，表明其紫外光處有較高的透光率，有望用于制備紫外光傳感器等材料.