氢化MoS2/石墨烯异质结的第一性原理计算

张国英,张安国,孟春雪

(沈阳师范大学 物理科学与技术学院,沈阳 110034)

0 引 言

十几年来,石墨烯因其优异的电学、机械、光学等性质而受到广泛关注,尤其是单层石墨烯电子迁移率极高,因而在微电子领域有着极大的潜力[1]。二硫化钼(MoS2)是二维层状过渡金属硫属化物(TMDCs)中的代表,块体MoS2为间接带隙,单层MoS2为直接带隙,是用来制作光探测器的优秀材料[2-5]。单层MoS2具有与石墨烯相似的结构,且可以晶格适配。由于石墨烯具有高电子迁移率和MoS2的光催化活性位点丰富的特点,MoS2/Gr异质结复合材料成为研究热点之一[6-8]。危阳等[9]用第一性原理计算发现,将石墨烯和MoS2制成异质结后带隙为1 meV;张秀云等[10]用第一性原理计算得到在MoS2/Gr异质结中加入过渡金属原子可以改变其能带;张琪瑛[11]发现,对石墨烯表面进行氢化后可以有效地改变石墨烯的能带结构,且加入的氢原子越多,带隙越宽。因此,本文采用第一性原理研究MoS2/Gr异质结及其氢化后的结构稳定性、电子性质和光学性质。本文通过对各个结构的结合能、体系结构、能带结构、电子态密度及光吸收系数进行分析,研究结构稳定性、电子性质及光学性质。

1 计算模型和方法

本文采用的是基于密度泛函理论的第一性原理MS(Material Studio)软件中的CASTEP完成计算。选择广义梯度近似(GGA)中的Perdew-Burke-Ernzerhof(PBE)[12],并利用Grimme的DFT-D方法来修正层间的范德瓦尔斯力[13]。在描述离子实与价电子之间的相互作用时,选取的价电子组态分别为C:2s22p2,S:3s23p4,Mo:4s24p64d55s1,布里渊区k点网格均选取为2×2×1,平面波截断能设……