基于密度泛函理论探究拉伸应变对MoS2光电性能影响

姜 艳，刘贵立，王天爽，王 佼，秦汉起，韩晶晶

(1.北京工业职业技术学院，北京 100042；2.沈阳工业大学，沈阳 110870；3.北京北科置地有限责任公司，北京 101400；4.贺州学院，贺州 542899)

1 引 言

自2004年，石墨烯在实验室中被成功剥离出来后，二维纳米材料就因其独特的结构和优越的性质而备受关注.但石墨烯本身带隙为0 eV，将其应用于纳米电子器件时，需通过改性等方法改变其带隙值.而同样有着优异性能的二维材料 MoS2[1-3]，因其本征体具有约1.7-1.9 eV的带隙，且带隙宽度可调控，而在微电子等电子器件[4,5]应用中成为研究热点.为拓宽其应用领域，研究者们尝试通过掺杂，缺陷，施加应力等等方法对其改性，进而调控材料光电性能.例如：Nils[6]研究MoS2纳米补丁在Au(111)上的光电特性；He[7]通过应变对MoS2的电子结构调控；Zhu[8]利用磁控溅射制备研究异质结结构及光学性能；邵宇飞[9]研究拉伸过程中孪晶界对单层二硫化钼力学性能的影响；Akhter Javeed[10]研究随机分布缺陷对其力学性能影响；牛兴平[11]研究掺杂对 MoS2的光学性质的影响；王根旺[12]研究过渡金属二硫化异质结在光电器件的应用等等.虽然人们对改性MoS2材料已研究了众多内容，但对单层二硫化钼进行不同程度的拉伸应变以改变其光电性能的研究相对很少，因此本文基于第一性原理方法研究了拉伸应变对MoS2光电性能的影响，以期望其在电子光电旗舰等方面有更广泛的应用.

2 计算方法

本文运用模拟软件Materials Studio 8.0中的CASTEP模块进行计算模拟.分别对单层二硫化钼施加0%-30%的拉伸应变，进而分析不同程度应变对材料光电性能影响.采用广义梯度近似GGA-PBE泛函方法，采用Ultrasoft超软赝势，平面波截断能为450 eV，迭代精度收敛值为 1.0e-6ev/atom.首先对模型进行几何优化，再分析模型相应的形成能，键长，电子结构和光学性能.

3 计算结果讨论

3.1 结构优化及其稳定性

本文为运用MS模拟软件建模，如下图所示,图1(a)-(b)为本征MoS2俯视图和正视图，图1(c)为施加Z方向拉伸形变的MoS2模型正视图.模型拉伸应变范围为0%-30%，发现经过优化后，模型畸变程度较小，仍类似本征结构.

在研究拉伸形变对MoS2光电性能的影响前，本文先对计算了材料的形成能和Mo-S原子键长来讨论其各个模型的结构稳定性.如下公式所示：

Eform=Estru-EMoS2

(1)

其中，Eform为模型的形成能，Estru为模型总能，EMoS2为自由状态下本征MoS2总能量.

将各个模型的形成能和键长绘制于表1，由数据可知，不同的拉伸应变确实对模型的形成能有所影响.为方便观看趋势变化，做出形成能和键长的变化对比图2.发现只要施加拉伸形变，模型的形成能均会增高，即拉伸形变下的MoS2稳定性不及本征MoS2.且拉伸程度在5%-10%之间时，形成能随着拉伸程度的增大而降低，稳定性逐渐增大.而拉伸程度在10%-30%之间时，形成能随着拉伸程度的增大而增大，稳定性逐渐降低.因此模型中稳定性最强的为本征MoS2，最弱的为拉伸形变为30%的MoS2模型.而Mo-S原子键长变化趋势与形成能类似，但当拉伸形变为30%时键长减小，但存在拉伸应变的模型键长均大于本征MoS2模型.即拉伸形变使Mo-S原子键长增大，周围电荷密度降低，键强减弱[13].

3.3 能带结构和态密度

为研究拉伸形变对MoS2材料电子结构的影响.本文计算了单层 MoS2及其施加拉伸形变后体系的能带和态密度情况.图3中(a)-(b)为本征MoS2能带，态密度图.本征MoS2整体能级分布平滑，无杂质能带，能级对称，能隙值为1.722 eV，表现为半导体特性.

本文尝试用拉伸形变来调控体系的能隙值，并将不同拉伸形变对应的能隙值总结于表2，并绘制能隙对比图4.发现各个模型能隙值处于1.685 eV-1.726 eV范围之间，依然显现出半导体特性.拉伸程度在10%以内时，能隙值随着拉伸程度增大而减小，拉伸程度在10%-25%之间时，能隙值随着拉伸程度增大而增大，且拉伸程度在30%时，能隙值又减小.即拉伸形变可以一定程度上改变Mo-S原子最外层电子的杂化强度及价带顶和导带底的电子移动.

表2 能隙值

3.4 光学性能

吸收和反射系数与材料的电子结构及材料应用密切相关.本文计算了相关模型对光学常数.如图5所示，图5(a)-(b)为频率范围在0-25 eV之间的吸收和反射系数对比图，图5(c),5(e)和图5(d),5(f)分别为吸收和反射系数的波峰，低谷放大图.即反射系数在3.1 eV左右出现一个反射峰值，在9.15 eV左右出现一个反射低谷，而吸收系数里面峰值出现在11.5 eV左右，在8.8 eV左右出现低谷.

由图5(c)可知，在频率为3.1 eV附近，拉伸形变为30%的MoS2模型反射系数峰值最大，达到31.45%.且不同拉伸形变MoS2模型对应的反射系数，随着拉伸应变的增加，反射峰值也逐渐增大.而图5(d)中显示，吸收系数的峰值大小并不与拉伸形变正相关.属于拉伸形变为25%的模型对应的吸收峰值较大，拉伸形变为15%的模型，吸收系数峰值最小.

图5(d),5(f)可看出，施加拉伸形变后模型对吸收和反射系数的低谷值均有些许升高，且当频率范围在8.8 eV-9.15 eV区间内，模型具有较低的吸收率和反射率，表明其紫外光处有较高的透光率，有望用于制备紫外光传感器等材料[14, 15].

4 结 论

通过对单层MoS2施加不同程度的拉伸应变，用第一性原理方法探究拉伸应变对其光电性能的影响.对比分析了各体系的形成能大小，Mo-S键长值，能带变化趋势以及吸收系数和反射系数.发现整体模型畸变程度不大，仍然类似石墨烯结构.拉伸程度在10%-30%之间时，形成能随着拉伸程度的增大而增大，稳定性逐渐降低.即稳定性最强的为本征MoS2，最弱的为拉伸形变为30%的MoS2模型.拉伸形变使Mo-S原子键长增大，周围电荷密度降低，键强减弱.拉伸程度在10%以内时，能隙值随着拉伸程度增大而减小，拉伸程度在10%-25%之间时，能隙值随着拉伸程度增大而增大，且拉伸程度在30%时，能隙值又减小.频率范围在8.8 eV-9.15 eV区间内，模型具有较低的吸收率和反射率，表明其紫外光处有较高的透光率，有望用于制备紫外光传感器等材料.