毕业论文-MX2纳米材料的稳定性研究.doc

MX2纳米材料的稳定性研究 专 业：物理学（师范） 班 级：2012级1班 姓 名： 指导教师：目 录引言31 简单介绍三维MX2化合物5 1.1 三维MX2化合物的作用5 1.2 VO2在不同温度下的性质5 1.3 铁和硫族元素的作用62 稳定性分析和物理性质的计算方法9 2.1 介绍计算方法9 2.2 采样计算9 2.3 计算原子上的电荷93 稳定性分析11 3.1 MX2化合物的声子结构和色散特性11 3.2 结构优化12 3.3 晶格动力学12 3.4 力学性能174 电子结构和磁性质20 4.1 H结构的半导体作用20 4.2 计算能带结构、电荷密度和态密度21 4.3 裸露的LDA25结论27致谢28参考文献29沈阳大学毕业论文摘 要 最近的研究表明,单层过渡金属氧化物和过渡金属硫化物(MX2)可以提供优于石墨烯的属性。到目前为止,只有极少数MX化合物被合成为悬浮层,其中一些已经剥落成了薄片。通过采用基于结构优化和基于密度泛函理论计算声子,我们预测有88种MX化合物的不同组合,他们中的一些具有独立稳定的单层蜂窝状结构。他们的顶视图好像由蜂窝或集中蜂窝。然而,他们的结合与石墨烯的不同; 他们可以被视为过渡金属原子正电的平面夹在负电荷的氧或硫族原子之间。过渡金属电子相关氧化物是由包括库仑斥力通过 LDA+U的计算处理。我们对稳定性的分析扩展到包括平面刚度,以及从头开始,有限温度下分子动力学计算。这些单层结构是直接或间接带隙半导体，只有一个化合物是半金属，其余的都是铁磁性或非磁性金属。因为他们的表面极性,带隙,高平面刚度,和适合功能化吸附原子或空缺，这些单层结构有着广泛的技术应用,对制作表面纳米涂料的贡献起到了至关重要的作用。尤其是，流形MX2预示着未来纳米应用前景的优异性能。关键词：过渡金属硫化物；石墨烯；声子谱；纳米级 Abstract Recent studies have revealed that single layer transition metal oxides and dichalcogenides (MX2) might offer properties superior to those of graphene. So far, only very few MX2 compounds have been synthesized as suspended single layers, and some of them have been exfoliated as thin sheets. Using rst principles structure optimization and phonon calculations based on density functional theory, we predict that, out of 88 different combinations of MX2 compounds, several of them can be stable in free standing single-layer honeycomb-like structures. These materials have two dimensional hexagonal lattices and have top view appearances as if they consisted of either honeycombs or centered honeycombs. However, their bonding is different from that of graphene; they can be viewed as a positively charged plane of transition metal atoms sandwiched between two planes of negatively charged oxygen or chalcogen atoms. Electron correlation in transition metal oxides was treated by including Coulomb repulsion through LDA+U calculations. Our analysis of stability was extended to include in plane stiffness, as well as ab initio, nite temperature molecular dynamics calculations. Some of these single layer structures are direct or indirect band gap semiconductors, only one compound is half metal, and the rest are either ferromagnetic or nonmagnetic metals. Because of their surface polarity, band gap, high in plane stiffness, and suitability for functionalization by adatoms or vacancies, these single layer structures can be utilized in a wide range of technological applications, especially as nanoscale coatings for surfaces contributing crucial functionalities. In particular, the manifold MX2 heralds exceptional properties promising future nanoscale applications.Keywords: Transition metal sulfides；Graphene； Phonon spectrum,；Nanoscale引 言 MX2纳米材料稳定性的研究是当前非常热门的课题。它们的性能优于石墨烯，他们的结构和石墨烯的不同，是单层稳定蜂巢状结构。这些材料具有二维六角形晶格，而俯视图由蜂窝状的结构组成。所以他们在氧化物超导体，半金属磁铁，催化剂，和太阳能转换器等方面有广泛的用途。由于具有表面极性，带隙，高平面刚度,以及功能化吸附原子或空缺,这些单层结构可以在大范围内被应用，尤其是在表面纳米涂料方面有着至关重要的功能。研究还发现多种MX2预示着特殊的属性，发展前景主要是纳米级的应用程序。由于其固有的表面极性，这些层可以很容易粘到印物表面，可以用作涂层材料。当为单层涂层在平坦表面上，他们可以大幅修改曲面的性质。例如，极性MoS2表面被发现到被水排斥的。我们的第一批原则计算结果表明，在两个这种表面滑动，摩擦系数和磨损大大降低。此外，这些化合物可以实现通过原子吸附（兴奋剂）或空位缺陷的重要功能。在一片或纳米带的形式，MX2化合物有用电子结构和磁性质取决于是否将边缘原子饱和氢。总之，我们的结果表明，单层过渡金属氧化物和蜂窝状结构过渡金属硫化物目前各种可能优于石墨烯的物理和化学性能。到目前为止，只有极少数已合成 MX2化合物悬浮单层，其中一些已被剥离为薄片。 通过第一原理结构优化与声子基于密度泛函理论计算，我们预测出88种不同的化合物MX2的组合，其中只有几个可以在自由站立，单层稳定的蜂巢状结构。这些材料具有二维六角形晶格，而俯视图由蜂窝状的结构组成。然而，在这些化合物中只有一部分是稳定的。我们要做的就是确定这些化合物哪些是稳定的。这些稳定性材料将会在纳米级应用程序中起到至关重要的作用。本论文将研究极少数已合成 MX2化合物悬浮单层，其中一些已被剥离为薄片材料。我们将依据第一原理结构优化与声子基于密度泛函理论，计算88种以上的MX2晶格常数和电子结构，因为这其中只有一部分的化合物具有稳定性，我们将认真观察对称性结构和计算全部声子色散结构。并计算 MX2化合物的总能量。然后我们将优化通常收敛的结构，通过计算能量和内聚能。若得到能量是积极为所有H和T结构，说明化合物是稳定的，在进行一系列的稳定性分析。1 简单介绍三维MX2化合物1.1 三维MX2化合物的作用 三维MX2（M:过渡金属; X: 硫族原子）的化合物构成的一个有趣的材料，并显示了广泛的重要的属性。他们的大部分化合物包括氧化物超导体,半金属磁铁，润滑，催化剂在氧化还原类反应和太阳能转换器等等。除其他外。其中的一些化合物有D6h点群对称性和发生在(弱相互作用二维)MX2图层叠加形成的层状结构，被指定为2 H MX2。另一种类型的层状结构被称为 1T结构具有 D3d点群对称性和共同的几个MX2化合物。只有几个三维MX2化合物可以稳定在2 H和1T结构。除了2 H和1T层状结构，一些MX2化合物可以稳定在一个称为金红石、3R、青铜色、锐钛矿、硫铁矿、和四方结构的三维结构。具体而言由于其自旋电子学器件研究金红石晶体和CrO2薄膜。隧道磁阻在半金属的薄膜最初观察CrO2。大部分电子的磁特性和电子外延的CrO2在理论上也进行了研究。在理解超导性能的镍和钴基于氧化的化合物上单层CoO2发挥了重要作用。在这些结构中，一层CoO2分离通常由隔热层厚厚的Na +离子和水分子。这些结构产生的高温超导性质的单层CoO2平面。电子、磁学和光学性能的立方黄铁矿型CoS2结构已经进行了理论研究。1.2 VO2在不同温度下的性质VO2在不同温度下具有各种同素异形体。例如,在较低的温度下,发生单斜(M1)的阶段,而在高温下,金红石金属相青睐。通过改变系统的温度，你可以观察金属绝缘体的过渡、合成及表征的层状结构的散装VSe2和其超导态的性质。VS2和VSe2的单分子膜的电和磁性质理论研究得出结论，可以通过应用应变控制这些结构的磁特性。1.3 铁和硫族元素的作用 铁和硫族元素之间的相互作用,特别是与O2分子,因为它涉及到不同腐蚀在生物组织中的氧运输过程。这种材料也可以用作催化剂，FeS2最著名的复合材料,已被广泛的研究。黄铁矿结构的FeS2,最稳定的晶型是复合材料，最近提出了一种新方法,并用于合成二维纳米线网络，FeS2粉末显示棒状形貌的纳米线网络吸引相当大的兴趣，因为他们是有前途的材料，为太阳能的能量转换。FeS2粉末的形状和热力学稳定性调查使用的方法,指出纳米之间的差异和宏观尺度的不同特性。FeS2对铁基板也用作色素增感太阳能电池的光电阴极串联。FeS2黄铁矿纳米油墨也被用于薄膜光伏太阳能光伏电池。以上概述打算展示全面、多样化的特点。 另一方面,纳米技术的进步导致了新颖的二维纳米结构的合成。例如,特殊的性质,如高载流子迁移率、线性交叉乐队在费米能级贡献无质量的费密子行为,和完善电子空穴对称,有一种有吸引力的未来应用领域。源于严格的二维蜂窝状结构,使得石墨烯成为极具吸引力的材料,应用前景。第四组元素材料石墨烯，如硅、锗、也被证明蜂窝结构线性交叉在费米能级。此外,暂停二维单层BN33,最近合成了单层过渡金属硫化物MoS2和WS2蜂窝结构。只有对SiO2基质。理论上合成了单层NbSe2和实验研究处理的电子结构、 晶格动力学，拉曼光谱表明，单层MoS2显示特殊属性的非磁性半导体。这些适当的领带oS2和其纳米带一直被利用与众多领域，如纳米摩擦，制氢、 加氢脱硫、 和太阳能产品，MoS2的带电物体的表面达到憎水的字符，而具体的空位缺陷oS2可以拆分H2O来产生自由H2分子作为可持续能源。最近，晶体管制造从单个二硫化钼层指出这些材料的特性,可以优于石墨烯。而石墨烯是理想的快速模拟电路,单层二硫化钼似乎是有前途的光电设备、太阳能电池、发光二极管。 图1原子结构和电荷密度分析的二维单层MoO2作为一个原型为H结构。 图1和图2描述二维单层H和T基于大量的使用采用基于稳定性分析的计算结构优化、声子频率，形成能源、弹性性质，和有限温度下从头开始分子动力学(MD)的计算，我们预测，88个不同的(MX化合物,不同稳定二维单层H和/或T结构可以作为独立的发生。图2原子结构和电荷密度分析的二维单层NiS2作为原型的T结构。 过渡化合物硫化物TiO2、CoO2，和NbO2和CoS2和CoSe2等都是在H和T结构不稳定。然而，这些层MX2化合物可能是稳定的如果他们被放在特定的底物。所有这些结构显示有趣的电子、磁性，和力学性能，并具有趋势与X和M的组成元素的电负性相关。虽然是相对简单的二维单层结构，以从父3 D层2 H-MX2或1 T-MX2结构,很难说能形成稳定的单一层，如果父3 D晶体不分层之后，这个简单的方法后,MoSe2 MoTe2,NbSe2,WS2、WSe2,TaS2,TaSe2可以单层H结构和他们的电子关系。尽管如此,最近实验和理论研究的结果表明，SiC和ZnO2 D单一层都有蜂窝结构虽然父母3 D散装材料不分层的追求我们的分析提供强有力的原因寻找单层MX化合物。这项工作的目的是为了吸引兴趣的歧管单层MX化合物通过展示如何在材料研究提供广泛的选择。因此,而不是提供一个深入分析,我们的讨论集中在广泛的第二属性和各种类化合物表现出类似的趋势。2 稳定性分析和物理性质的计算方法2.1 介绍计算方法我们的稳定性分析和物理性质的计算是进行了使用中的第一性原理平面波计算密度泛函理论（DFT）和投影机增强波电位，交换相关潜在由局部密度近似值(LDA)自旋极化和停止旋转偏振的案件。此外,我们的测试结果使用广义梯度范德瓦耳斯校正。使用广义梯度接近所有结构是采用周期性边界条件处理的。因为一些过渡金属氧化物的电子强烈相关,他们可能无法正确代表DFT。因此,若要更正的密度泛函理论的缺陷，我们也进行了LDA + U计算。在本文中所有值计算得到使用LDA除非另有规定。2.2 采样计算超晶胞大小、动能截止和布里渊区(BZ)采样计算的广泛融合分析后确定。大间距152 d单一层之间(用于防止层间的相互作用。平面波的基础上设置与动能截止520eV。自洽场电位和总能量计算,BZ被特殊k点采样。的数字k点(37371)原始第二单元的单元,根据大小比例。所有原子位置和晶格常数使用共轭梯度法进行了优化,总能量和原子力最小化。能源融合被选为106电动车两个连续的步骤,和最大张春费曼力量作用于每个原子被减少到一个值小于0.01eV /离子弛豫。压力单位细胞一直低于1千巴。2.3 计算原子上的电荷Bader分析是用来计算原子上的电荷。因为LDA的目的是描述系统和慢变电子密度和可以失败模型本地化d轨道,更精确的电子结构计算进行了使用筛选非局部交换功能的广义的具体结构。频率依赖于GW0计算进行纠正的LDA带隙。然而，GW0校正则成功地预测3D散装MoS2，它似乎已经高估了带隙二维MoS2的H结构。在这令人吃惊的情况，在文本后面讨论，需要进一步分析。数值计算了声子色散曲线和用小位移方法(SDM) 计算拉曼活性模。特殊情况下，基于平面波自洽场的(PWSCF)方法的声子计算也进行进行拉曼和红外活性声子模分析并检查具体的结果。3 稳定性分析3.1 MX2化合物的声子结构和色散特性 MX2化合物具有不同的三维晶体结构在服务空间群，如表1所示。其中，2 H和1T的结构分层的，因此，像石墨，他们都由特定图层的叠加。其余的MX2化合物的结构不是分层级的。我们研究的重点是确定的MX2化合物可以形成稳定的二维单层结构。我们的研究认为仅有六角格子，如图1和图2所示的结构。这些都是D3h点组为中心的对称性和T结构(蜂窝)C3v对称。图3H结构MX2化合物能够形成稳定、2D单层H和（或）T结构。 稳定的形成,单层(MX化合物样品特定底物可能相对容易,但它超出本研究的范围。尽管研究被执行,调查电子和单层的振动特性(Nb,W,助教;X =年代,Te)在H结构。他们认为的唯一原因是因为这些化合物H结构形成稳定2 H-MX2 3D。而不是提供测试这些二维纳米结构是否稳定的通过声子的全谱和随温度而变的从头开始医学博士的计算,他们只计算声子频率在点,揭示拉曼主动模式。声子色散谱分析是系统稳定性的一个重要标志，因为当整个DFT计算对称操作不正确地考虑到声子模式可以成为假想在BZ，其他点。计算，运算量，系统可以迫不得不正频率在点;然而，这不可能意味着，他们都是稳定。在我们的工作，我们仔细考虑了结构的对称性和计算完整的声子结构的色散特性。3.2 结构优化 我们开始通过计算MX2化合物在图1和图2所示的单层H和T结构的总能量的稳定性分析。通过最小化总能量和原子力由不同的单位细胞和晶格常数的原子位置进行优化。如果没有稳定的结构，优化通常收敛于结构。此外，我们计算相对自由组成原子的内聚。每单元或每MX2单元的内聚计算使用表达式EC=ET M+XET MX2在MX2、ET MX2和总能量的自由M的总能量和原子，ET MX2ET和ET X，分别。我们发现，计算内聚能都是积极和1020eV范围指示相对于自由原子成分的强大的凝聚力。虽然教统会独自积极价值不是充分来指示是否给定的MX2结构可以形成，地层能量，Ef，通常被认为是一个好标准。制得减去其平衡（散装、液体或气体）中的组成元素内聚能的形成能量Ef，阶段，教统会 M和X EC。具体来说，Ef=ECEC M2EC X。为了便于比较，我们计算Ef使用实验凝聚力活力和计算内聚能的构成要素。计算的地层能量呈阳性反应，所有的H和T结构被发现和一系列的稳定性分析。内聚能或形成能量的 MX2 单层 H 和 T 结构不更改其分层的三维晶体中有力地。即使一些可以观察维度的相互作用相邻层之间是通常弱和100200兆电子伏的顺序。层间的相互作用主要源于范德华力景点的早期研究。因此，堆叠或表面能量的3DMX2晶体预计很小，并且在100meV的范围。3.3 晶格动力学 即使一个结构的总能量可以最小化，不能保证其稳定性。因此，频率的振动模态的优化单双层MX2H或T结构计算中的所有k点。BZ提供给定的结构稳定性的严峻的考验。结构是以要稳定，只有当所有声子模式的BZ计算的频率正相关;否则，假想频率表明不稳定。在这种计算，长波长、平面外的声学(ZA)模式是脆弱的不稳定。因此，谨慎就是在计算与极端准确性。 在图4和图5，我们目前MX2化合物的计算的声子分支中的H和T的结构，分别，这显示三个声学分支从六个光学分支隔开的差距。在图4和图5中给出的所有2D单层MX2化合物具有正频率在BZ，除了一些有在一个小区域的(k)0（或）的假想频率。在这一地区的BZ频率计算要求很高的精度，为力的计算方法的。因此，作为的结构不稳定可能会出现由于数值计算。即使不稳定的MX2化合物作为现实，化合物可以稳定在小尺寸。此外，由于DFT的限制高度关联的电子系统，具有H和T结构一些MO2化合物在BZ的中心可以有虚构的频率。尽管如此，在以下的章节中，我们进一步探讨可能的不稳定性的具体化合物使用有限温度ab从头MD和LDA+U计算。 MoX2系列的声子频率(X=O，S，Se和Te)在图6中为了详细讨论的趋势相关的硫族元素原子的频率相同规模上绘制。作为行数目减少X，X原子变得更轻，和MX债券成为更离子。因此，宽度的声学分支机构增加从 = 119 cm 1 到 = 405 cm 1，和最高光学模式的频率也会增加随着X从Te的o。作为一个例子，而横向光学（到）MoTe2点模式的最高频率是=298cm 1，相同的MoO2模式的频率发在=733cm 1。之间稳定的单层 MX2 化合物，CrO2 有最高的频率，(k = 0) = 824 cm 1。宽度的声子分支通常降低X原子的行号随发生其他M原子中的H和T的结构。纵声(LA)分支机构有线性分散体作为k0，而ZA（平面外）模式显示由于迅速衰减的横向力常数的抛物型分散。 由于有限的实验数据对声子谱，我们检查我们关于晶格动力学MX2晶体与可用拉曼(R)和红外(IR)数据稳定H和T结构的结果。因为实验数据仅适用于单层MoS2和WS2，一个可以比较这些单层化合物计算的拉曼活性模的频率。计算的频率拉曼活性模，即 E = 380 cm 1 和 A1 = 406 cm 1，与相应的实验数据，46 E = 384 cm 1 和 A1 = 403 cm 1。同样，LDA计算频率的拉曼活性模的WS2，E=359cm 1和A1=412，处于公平协议与实验数据，47E=350cm 1和A1=415cm 1。另外，实验，红外主动模式的BZ中心观察作为384和470cm 1，在本研究中使用LDA作为359和437cm 1，分别进行了预测。此外，拉曼-计算由LDA的活动模式是能够重现反常维度效果3D2 H MoS2与二维MoS2H结构即显示由李等人，而a 模式软化，E将成为后去从2D到3D。车流量电荷转移和由此产生的极性字符是2DMX2化合物的显著的特征。不同石墨烯和单质，H和T结构的MX2展览有趣的电荷分布，如图所示的图1和2，具体说来，X原子的外平面负电荷，而它们之间M原子平面带正电。贝德分析指示从M原子中的电子图4。 计算在H结构是稳定的二维单层MX2化合物声子分支。声子介绍BZMK方向。声学和光学分支之间的差距是灰色的。如图5所示。图4计算的是T结构是稳定的二维单层MX2化合物声子分支。 动力学均符合 MoS2 的贝德分析，揭示了电荷转移的方向 = 1.211，Z = 0.075 电子和 Z = 0.573，Z =0.043电子。声子色散曲线的具体化合物，为VS2、CoTe2、NiS2、NiTe2和NbSe2TiS2，NbS2，和NbSe2中T结构H结构，表现出逢低或局部极小的BZ，如图4和图5所示。更多值得注意的直到NiTe2声学分支其频率变得kK和点之间为零。此奇点，是体现其中的声子色散曲线。NiTe2是一个极端的例子，可以发生在低维材料，表明晶体静态变形。 Ab从头计算分子动力学计算。如果基于声子计算的分析表明稳定性的MX2化合物正在研究在T=0K，这种稳定能在高温摧毁了。因此，一种化合物可以是不稳定的可能性进行了测试使用第一批原则分子的具体化合物动力学(MD)计算T=500、1000、和1500k。时间采取了为210 15s，和原子的速度实现了正常化为每40步T=500K和100的每一步，为T=1000k和1500k。图5计算声子分支稳定H结构的MoX2(X=O，S，Se和Te)BZMK方向的化合物。 对于H结构，我们认为FeTe2、MoO2、VO2，和VSe2。第一批三化合物具有三维晶体，从分层2 H和1T结构服务，因此，它似乎不太可能的这三类化合物可能发生在H的稳定结构。另外，由于虚构的频率(k)0在一个小的地区，FeTe2和VO2是脆弱的不稳定作为。VSe2结构分层的1T，因此，你需要先到H结构能否真的即使它是那么精力充沛比T结构发生。要避免的稳定性，可以征收使用（11）单元细胞的周期性边界条件，进行了计算使用(44)超级单体。所有的四种化合物完好无损后许多步骤（300次）在T=500k。如果他们不稳定已经在T=0K，其结构会游离在此温度下甚至前300时间步骤。然后，计算被交换到T=1000K从原子速度的单项步在T=500K.高等教育温度和归一化在相对较大数量的步骤可以速度不稳定，经过大量的步骤通常发生在温度相对较低的发病。如果系统继续保持稳定后足够大量的步骤在T=1000K，我们提出的温度，让MD计算运行在T=1500k。温度T=1500K是相当高，有望加速结构的不稳定，可能发生在相对较低的温度下发生。事实上，而FeTe2的H结构保持稳定后304步骤在T=1000K，它严重扭曲后步骤在T=1500K.MoO2H结构稳定后546步骤在T=1000K和保持稳定后760步骤在T=1500K.我们结束MoO2可以保持稳定在H结构在中等温度。VO2的情况类似于MoO2，只是一个O原子解吸后530时间步骤在T=1500K.VSe2继续保持稳定后1429年时间步骤在T=1500k。MX2结构后若干时间步骤的单项几何尺寸如图7所示。 分析的结果表明在所有具有正频率的单层MX2化合物k点在BZ是稳定在0K;其中绝大多数是继续稳定高于室温，一次他们是合成或生产中的H或T的结构。另一方面，特定化合物的假想的频率计算的BZ中心附近可以容易造成结构不稳定，如果这些频率不是工件的数值精度和这些化合物不稳定由于其体积小。同样，相对较小的形成能量Ef和/或小的为计算平面刚度值（如表1所示）C任何单层MX2化合物也可以意味着不稳定。在这些情况下，从头MD计算提出一种化合物是不稳定和准备解离的证据。在这方面中从头需要进一步测试通过的化合物,MD计算、FeTe2和VO2稳定性在H结构和ScTe2和NiSe2在T结构被发现要弱。3.4 力学性能 纳米结构的强度是他们使用不同的纳米技术应用中的关键。弹性常数可以提供有关强度的H和T的稳定结构的进一步指示。蜂窝结构通常是不寻常的力学性能，提供高的面内强度和宜家在垂直于原子平面变形的基础。我们专注于谐波范围的弹性变形。图6对应于选定MX2化合物从头计算分子动力学(MD)计算在进行温度和时间的步骤从原子结构的快照的顶盖和侧意见由每个面板下方的数字表示。 结构在TMD结果=1000K亦列出结构变得不稳定，在T=1500k。应变，线性和可逆反应。在这里，是每单位长度的伸长率。应变能是愈合为ES=ET()ET( = 0)，那就是，在给定的应变减去零应变时的总能量的总能量。通常情况下，杨氏模量特征块体材料的机械强度。然而，结构宽度的 H 或 T 数据流不是明确的并且因此，而不是年轻的模量的单层MX2结构，刚度C=(1/A0)(2ES/2)，在均匀的应力分布和平衡区的单体，A0.31单层MX2材料的计算在平面刚度值提出了在表1中，从250到9N/m，可以对比与石墨烯和BN、357N/m计算值(实验值34050N/m)和267N/m，分别。我们注意到，一般来说，在平面刚度值增大而减小行数目X；说的区别于MX2复合软化随着X的行数的增加。因此，C的计算的值是通常较低的化合物有X=Te。这种趋势是按照图6所述的趋势。在平面刚度的 MX2 是通常高于其他 MX2 化合物。此外，CH结构值通常高于T结构如果两个结构相同的化合物发生。最后，C值所标记的表1中的粗体MX2化合物不对称变形。C 和下均匀的应力分布的不均匀变形的低值意味着在有限温度下可能不稳定。4 电子结构和磁性质4.1 H结构的半导体作用在H和T结构稳定的MX2化合物显示了丰富多样的电子结构和磁性质。M和X的组合，单层MX2化合物可以是半导体，铁磁，或非磁性金属。我们目前的电子能带结构的所有稳定 MX2 化合物有 H 和 T 结构。由于可用的实验数据，带结构的流形的MoX2(X=O、S、Se、Te)H结构。MS2流形(M=Sc、V、Cr、Fe、Ni和W)H和T结构，包括半导体和磁性和非磁性金属。具有H结构的半导体单层MX2化合物可以治疗显示而服务带结构的两个组中。过渡金属氧化物(即M=Sc、铬、钼、W;X=O)从其他组无庸置疑(即M=Cr、Mo、W;X=S、Se、Te)由其相对较小的带隙和较低的边带态密度。如图10所示。对于这两个组，传导和价在边缘乐队乐队是由莫4 d的和Xp轨道。然而，这些轨道的贡献与类型（对称）会发生与k和M和X的成分。单层MoO2MX债券是0.30.7短比第二组。因此，最高的价带在 ，从莫 dz 和 O pz 轨道结合具有较高分散度。 这支乐队被推向传导带，降低间接带隙之间的传导带因此，最小 K 点和 点价带最大。包所括MoO2的有MO2蜂窝结构的最小的带隙是间接的。另一方面，最顶层带MoS2，具有相对较高的Modz2贡献和较长的MX的债券，是平整的，和降低了它的能量。在这些情况下，最小的带隙的第二组是通常直接 （除了 MoSe2，有间接的差距小于直接一只 4 兆电子伏)，并且发生在 K 点之间的传导带最小 (80%钼 d 和 20%S px) 和价带最大 (90%钼 dx22 和 10%S px) 在 K 点的字符。在同一行中，提出了一种稳定的结构，与同一个M原子但服务X原子。列具有相同的原子，但有不同M原子X目前MX2流形。流形MX2与同一M原子却服务X原子是提出了一种在同一行中。图7计算二维稳定的MX2化合物，在T结构是稳定的电子能带结构。 列具有相同的原子，但有不同M原子X目前MX2流形。反铁磁结构在相邻的单元，铁磁结构是最稳定。我们还讨论了 MO2 中的化合物，即，VO2， MnO2 和 FeO2，H 结构和 ScO2 在 T 结构。通常情况下，这些氧化物预计将宽带隙半导体。其中牢固性的电子能量结构计算我们LDA的结果。4.2 计算能带结构、电荷密度和态密度 因为DFT通常低估了带隙，我们第一批相比带隙计算的三维分层2 H MoS2与相应实验值。本研究估计2 H MoS2的间接带隙为0.72eV，是0.51eV比实验值小的Eg=1.23eV.125它是知名的Si和Ge的散装带隙也低估了LDA。在这些情况下，进行频率依赖GW0计算。在这些计算中，纠正了H结构3D2 H MoS2和二维MoX2流形的空白带屏蔽的库仑势，保持固定在DFT初值W0，和的格林函数，反复多次。各种测试关于真空分离;动能截止;并提出了乐队、k点和网格点的数目。获得了GW0更正的最终结果，使用(12121)BZ、400-eV截止潜力、单层结构(384为3D2 HMoS2)，192乐队和64网格点k点。2 H MoS2GW0 纠正隙被发现是1.28eV，是1.23eV.125的实验值吻合良好。图8计算能带结构、电荷密度和态密度的单层MoX2(X=O，S，Se和Te)。单层 1 H MoS2 的带隙计算1.87eV用LDA，而最近实验使用补充技术的光学吸收，光致发光，等值面价值是作为0.01电子/。中间的面板是渊区的带结构。LDA带隙之间的传导和价乐队是灰色的。能量零点设置在费米能级，EF，由红色虚线虚线所示。GW0 纠正乐队由橙色虚线和点表示。由绿线和钻石指示3D2 H MoS2GW0 纠正的带隙，EV为单位给出直接和间接带隙值。右面板是总和轨道预测的态密度和光电导报道其作为1.90eV值。带隙增加对了0.70eV和改变从间接直接从3D去分层结构对单层H结构。三维2 H 放MoS2由1 H MoS2层组成96meV。 在图 10 中，这种变化的崛起所示从间接到直接的差距，通过降低维数从3D到2D变化。这种转变的间接直接差距预计将作为中MoS2床单跌幅的层数逐渐发生，可能有重要含义。在这里，我们解决2D1 H MoS2的LDA结果，很接近实验值，关键的问题是，它低估了0.51eV的3D大容量值。另一方面，2 H MoS2（这低估LDA作为0.72eV）的带隙是成功的情况，由GW0更正为1.28eV，而带隙的单层硫化1 H MoS2是矛盾的。顺便，类似的情况也发生其他单双层蜂窝结构。它预计，同样的情况可能有效，其他 MX2 半导体并可以将其带隙高估了GW0校正。不幸的是，我们不能再进一步探讨GW0校正的能力其他单双层H和T结构，因为没有实验数据存在比较。不过，当单层MX2结构的带隙的附加实验数据变得可用时，将解决这个自相矛盾的情况。这也是强调，而MO2化合硫化物(M=铬、钼、钨的元素周期表中占据同一列)是间接带隙半导体，其他MX2化合物与M=铬、钼，和W、X=S，Se和Te是直接带隙半导体。 在图 9 中给出了 MX2 中 T 结构的带像 MoX2 流形 H 结构中的，NbS2和NbTe2是只在T结构稳定。即使NbSe2可以有H和T结构，它是金属在H结构和12兆电子伏能量会比相应的T结构。二维和悬浮NbSe2H结构中的是特别感兴趣，因为3DNbSe2是超导体。至于NiX2流形，VX2(X=S，Se，Te)化合物形成T和H的结构，有几乎相同的内聚能在本研究中进行了数值计算的精度范围内。在图11中，我们比较国家的这些结构在总及轨道预计的密度。尽管小能量不同之间的 T 和 H 结构的这些化合物，车流量不同和惊人揭示了在电子结构的共同特征。例如，VX2T和H的结构中，一个认识不同中态密度。然而，对于这两种结构，在英孚的态密度起源于V3d国家也相当高。至于NiX2，带的人物经历从T去H结构的变化。LDA + U 计算。众所周知，在电子过渡金属氧化物高度相关，其中，反过来，可以限制对此类材料的密度泛函理论应用。图10比较具体的电子结构暂停MX2化合物形成这两种稳定的T和H结构。在这能量零点设置为费米能级，EF，由红色虚线虚线所示。上下箭头表明自旋向上和自旋向下的态密度。总态密度给出粗实线。尊重，采用密度泛函理论对稳定性的预测和带隙的MO2化合物应谨慎。出人意料的是，在大多数情况下，LDA提供了合理的预测，即使用于相关系统。对模型的附加属性，其中一个必须考虑到双计数条款。为此，所有 LDA + U 泛函可以写成不同的相互作用项、 双计数更正。即使还有单个交互术语双计数条款无庸置疑。最常用的部分为双计数条件完全本地化的限制(FLL)和周围平均领域(AMF)。主要的不同，它们之间是如何他们包括U校正。U效果是在AMF，占主导地位，以便它抑制磁州。为此，FFL被公认的高自旋态表现得更好而反洗钱是好低自旋系统。我们进行了LDA+NiO2和ScO2在TU更正结构和在HWO2结构使用的方法，介绍了由杜达列夫我们的计算方法使用FFL逼近的执行。在此方法中，系统的总能量取决于UJ，U在哪里的现场的库仑排斥期中或哈伯德和J是交换的参数。因为你和 J 为 H 或 T 结构的化合物的现实价值还不可用，我们反而UJ作为参数的变化之间1和11eV和审查其产生的效果带隙和晶格常数，以及MO2的稳定性。因此，我们的分析可以提供如何带隙和MO2中的H和T结构的晶格常数随唯一趋势UJ。4.3 裸露的LDA 裸露的LDA指示ScO2每个单位细胞已具有整数磁矩的半金属基态。自旋向上乐队有满的和无人居住的乐队，之间的差距，而三降速乐队来自氧p轨道交叉费米能级，因此是金属。不同电荷密度的自旋向上和自旋向下的国家的等值面的建议，磁矩上O从Sc原子转移源自逾重行李费。因此，哈伯德U修正是考虑到3d轨道的过渡金属原子和2p轨道的o。LDA+U计算，两个三个的金属乐队不是假装的，而第三级的能量来自Opz轨道增加随着U能量的增加。最终，金属降速带分裂和打开能隙，也成为半导体时（UJ）4。此外，单位大小的细胞达6%（UJ）=11eV。 裸露的LDA预测非磁性半导体是NiO2和WO2。在价带的NiO2，是无色散的点附近，边缘乐队是主要来自3d轨道，而略低于价带边缘乐队来自O2 p轨道。在LDA+U计算，而从镍价带边派生3d轨道降低与增加UJ，来自O2 p轨道的乐队都不变。最后，NiO2带隙增加增加UJ.在对比、晶格常数和字符的价和传导WO2乐队不变的列入库仑校正一词。在图12中，是我们的LDA+U的结果显然是为ScO2和NiO2有3d轨道。图11变体的晶格常数和带隙的2D单层ScO2（在T结构），NiO2（在T结构），和（在H结构）WO2化合物与UU作为函数计算的库仑相关效果。然而，WO2，有能级来自5 d轨道，不同于原来的LDA+U计算。因为NiO2总是非磁性，UJ的值是什么不管，我们希望使被用AMF时相同的结果。在所有UJ ScO2计算，我们发现没有波动磁矩，维持一个值1B。我们的研究结果FFL逼近的使用。即使是AML逼近，我们不认为系统的电子结构将改变因为能量转移在Scd轨道乐队不是强烈的变化受影响UJ。问题化合物在H或T结构的稳定性受到影响后是磁场的否LDA+U计算处理通过重做相同的声子计算与UJ=4、8和11eV。结 论石墨烯，单层BN和MoS2在最近的研究中发现的不寻常性质我们探讨二维单层结构的过渡金属氧化物和过渡金属硫化物，MX2化合物的蜂窝状结构。三维晶体的这些MX2化合物显示不同属性。MX2化合物有一个大的流形，如MoS2和石墨，可以允许单个图层剥离。H和T的结构。通过第一批原则计算的结构优化、声子频率、分子动力学和力学性能。我们研究了稳定的化合物的电子磁，力学性质。除了优化的晶格常数和内部参数，我们也计算内聚能 EC，形成能量 Ef，磁矩 ，M和X的原子和在平面刚度。一般不只带隙，但也在内聚能的增大而减小X的行号。晶格常数表现出相反的趋势。半导体，从间接到直接带隙随层数的过渡有重要的影响。半导体的表面极性是排斥相互作用诱导迅速尽快为两个平行层间分离变得小于平衡距离的另一个特殊功能。由于其固有的表面极性，这些层可以很容易粘到承印物表面，可以用作涂层材料。当为单层涂层在平坦表面上，他们可以大幅修改曲面的性质。在两个这种表面滑动，摩擦系数和磨损大大降低。此外，这些化合物可以实现通过原子吸附或空位缺陷的重要功能。在一片或纳米带的形式，MX2化合物有用电子结构和磁性质取决于是否将边缘原子饱和氢。总之，我们的结果表明，单层过渡金属氧化物和蜂窝状结构过渡金属硫化物目前各种可能优于石墨烯的物理和化学性能。致 谢四年时光匆匆，转眼间大学生活结束了。没有考研的我代表着我的学生时代的彻底结束。一路走来有话想说。心中有很多的感激。现在我快毕业了，感谢我的