基于VASP软件的金属硫族化合物石墨烯异质结光学性能研究

PAGE1引言二维材料，以其仅有数个原子层厚度的纳米尺度，展现了一系列独特的物理和化学性质，引发了科研界的广泛关注。这些材料不仅为材料科学和纳米技术领域带来了新的机遇与挑战，也为创新功能器件和系统的实现提供了无限可能。二维材料的种类众多，包括石墨烯、二硫化钼、过渡金属硫族化合物（TMDCs）、氧化铟锡等，每种都有其独特的结构和性质。通过组合、堆叠、掺杂等手段，可以形成多样化的异质结构，从而进一步拓展二维材料的物理化学性质和科技发展。由单层碳原子组成的二维材料石墨烯，因其在电子学、热学、力学和光学属性上的出色表现，被视为一种具有颠覆性前景的先进材料。石墨烯的出现激起了对二维材料研究的热潮，并为其他二维材料的发现提供了灵感和动力。然而，为了克服石墨烯在光电器件中的应用受限于其零带隙特性的问题，研究人员致力于将石墨烯与其他二维材料结合，创建异质结构以改变其特性。在这些二维材料中，过渡金属硫属化合物（TMDCs）具有MX2型的层状结构，其中M代表过渡金属元素，而X则指代硫属原子，它们由于具有高载流子迁移率、可调节的带隙、强烈的自旋轨道耦合以及卓越的光学和催化特性，已被视为关键的功能性材料。TMDCs与石墨烯形成的异质结能够耦合和调控电子结构和光学性质，展示了多种新奇的物理现象和应用潜力。1绪论1.1石墨烯介绍石墨烯[1-2]，作为已知最薄的材料，近年来确实引起了全球科学家的广泛关注。曼彻斯特大学的AndreGeim和KonstantinNovoselov因其在二维材料领域，尤其是石墨烯的开创性实验，荣获2010年诺贝尔物理学奖[3,4]。石墨烯以其卓越的光学和电子特性而被誉为革命性材料[1,5]。这些性能源自其独特的电子结构和晶格结构，石墨烯拥有sp2杂化的二维(2D)六方堆积结构，展现出优异的电子特性[6]。图1-1展示了石墨烯中的价电子，它们被视作无质量的狄拉克费米子，这种粒子的迁移率非常高，达到了光速的1/300。石墨烯的电导率高达(106S/m)，电阻率仅为(10-6Ω·cm)，低于铜或银，使其成为世界上电阻率最低的材料[8]。图1-1用紧束缚近似方法得到的石墨烯的电子能带结构[1,2]。石墨烯引起了科学界的广泛关注，主要是因为其特殊的电子结构赋予了它许多独特的性质和潜在应用。首先，石墨烯具有高载流子迁移率和零带隙特性，使其在电子传输方面表现良好。此外，石墨烯还展示出广泛的光学性能，如宽带吸收、饱和吸收和荧光等，这也引起了科学家的关注[2,9]。尽管石墨烯的厚度只有3.35Å，它的吸收能力却出奇地高，单层石墨烯能够吸收从可见光到太赫兹波段的2.3%的光，证明了其极高的透明度。另外，石墨烯展现了非线性光反应特性，并且其狄拉克电子在接近狄拉克点时表现出线性的能量动量关系，这使得它在紫外线、可见光和红外线这些宽广光谱区域能够与光子发生共振光学效应。除了上述性质，石墨烯还具有优异的生物学、化学、热学和磁性属性[2,13-15]，这使得它在传感、光学、电子学、生物医学等多个领域都显示出巨大的潜在应用[16-18]。因此，科研工作者对石墨烯的探索兴趣日益浓厚，全球各地都兴起了一股针对石墨烯的研究热潮。1.2二维过渡金属硫族化合物介绍石墨烯独有的结构和杰出的特性激发了对其他二维材料研究的广泛关注。在二维材料的应用方面，二维过渡金属硫族化合物（TMDs）因其出色的机械、电子和光学性能而被认为是新一代二维光伏和光催化材料的有力候选者[19]。研究显示，TMDs可以通过机械剥离、化学生长，甚至蛋白质诱导[20-21]等多种方法形成。此外，TMDs还可作为其他二维材料构造的基板[22]。最引人注目的是，TMDs的许多特性，如电子结构、磁性、光学特性和应变应用等，可以通过掺杂、吸附、化学处理、电场以及搭建异质结等手段进行调整[23-24]。TMDs（过渡金属硫属化物）因其在电子和光电领域的显著应用潜力，正逐渐成为电子行业的新宠。这类二维材料以MX2的化学公式为标志，其中M代表过渡金属，如钼或钨，而X指代硫属元素，比如硫或硒。特别是，当二维材料由多层结构减薄至单层时，它们会从拥有间接带隙的能带结构变为直接带隙，这种转变带来了诸如谷对自旋耦合之类的独特电子和光学属性，从而为它们在通信、计算和健康监测等多个领域的应用提供了更广阔的可能性。除此之外，由于其原子级厚度和优秀的物理性能，TMDs被视为延续摩尔定律、满足电子行业对高性能和低功耗要求的关键材料之一。此外，由于半导体产业趋向于通过减小电子器件的尺寸来提升性能，面对硅基集成电路所达到的物理极限，仅有原子层厚度的二维层状TMDs被看作是解决电子器件特征尺寸瓶颈的希望所在，有望延长摩尔定律的适用寿命。通过叠加不同属性的二维材料以构建范德华异质结构，可在原子尺度上探索调节光电特性的新领域，也就是所谓的堆叠工程。这种方法能够催生出众多新奇的物理效应和独特性能。在MX2单层中，每一个过渡金属原子中间夹着两个硫族元素原子，平面内的共价键提供了稳定性，而平面外较弱的范德华键则使MX2可以独立存在[25]。与石墨烯不同，许多TMDs具有适用于半导体器件的高电子迁移率带隙[26]。例如，二硫化钼（MoS2）的电子带隙会随着尺寸减小而从间接的1.2eV[27]变为直接的1.8eV[28]，这一变化在实验和密度泛函理论（DFT）计算中都得到了证实。图1-2MX₂的结构示意图[29]。其中，黄色原子代表X原子，蓝色原子代表M原子。二维过渡金属硫属化合物（TMDs）系列材料，是由交替堆叠的过渡金属和硫属元素（例如硫、硒或碲）构成的层状纳米级材料。这些化合物的构成基础是一个三明治式的夹层结构，其中一层过渡金属被两层硫属元素包围，呈现出一种X-M-X的层序排列。它们以二维层状晶格形态存在，其结构中过渡金属原子与硫属原子相互交替，形成了分层的格局。这样的二维构造为这些化合物带来了若干突出的特点，包括较高的比表面积、可调节的电子性质以及卓越的导电性。二维过渡金属硫族化合物在能源存储方面表现出色，作为电池和超级电容器的电极材料具有很高的电荷存储能力和快速的充放电速率。此外，它们还被广泛应用于光电子器件，如太阳能电池和光电检测器，因为它们对光的吸收、传导和发射具有优异的性能。在电子组件领域，二维过渡金属硫属化合物可被应用于制造场效应晶体管、逻辑门以及集成电路等元件。由于其可调控的电子结构和良好的载流子传输性能，使得这些材料在未来电子技术中有着广泛的应用前景。1.3异质结概述除了利用掺杂、吸附、化学处理和电场等方法，构建多层或异质结构也是扩展材料应用领域的有效途径。不同二维材料的层层堆叠形成的范德华异质结（vdWH）由于其带来的意想不到的物理特性而备受关注。这种结构的多样性使得vdWH在功能上超越了单一的二维材料，从而在各种领域展现出优异性能。在异质结构中，共价键确保了二维晶体在同一平面内的稳定性，而范德华力则负责将各个层级的材料相互连接。石墨烯（G）因其突出的特性已成为基于G的vdWH研究的关注焦点[30]。同时，与石墨烯相似的二维材料（如TMDs）凭借其异质结构同样显示出巨大的研究与应用前景。相较于单层的TMD材料，基于TMDs的范德华异质结构在纳米电子器件、光电设备和光催化领域的应用更为广泛。此外，已有报告介绍了基于TMDs的范德华异质结构的制备方法。范德华异质结在纳米电子学、光电子学和能源存储等领域具有重要的应用潜力。例如，石墨烯和过渡金属二硫化物的范德华异质结在光电探测器和逻辑电路中显示出优异的性能。此外，范德华异质结还可以用于制备柔性电子器件，因为范德华力使得材料层之间的机械剪切更容易。1.4研究内容介绍为了深入探讨基于VASP软件的金属硫属化合物/石墨烯异质结构的光学属性，本项研究采用了基于密度泛函理论的量子力学计算方法，并利用VASP软件执行了模拟计算。本论文的研究内容概述如下：第一章提供了背景知识，涉及石墨烯、TMDs以及二维过渡金属硫属化合物的相关研究。第二章本章节介绍了用于研究固体材料性质的几种理论方法和计算工具。对VASP软件包进行了简要介绍，该软件基于DFT和PAW方法，能够计算材料的多种物理性质，并在本研究中用于计算金属硫族化合物/石墨烯异质结的电学和光学性质。第三章本项研究探讨了由单层石墨烯与MoS2构成的异质结构的光响应特性。基于密度泛函理论（DFT）的计算方法被用来评估这种复合结构在多个光学参数上的表现，包括其介电特性、光吸收能力、折射指数、反射率以及能量耗散属性。第四章介绍了石墨烯/WSe2异质结的基本性质，并探讨了通过第一性原理计算来研究其电子结构和光学性质的理论方法。文章讨论了空位和掺杂如何影响异质结的电学、光学、磁性和化学性质，以及这些改变对异质结在各种应用中性能的影响。通过分析这些因素，可以为优化异质结的性能提供理论指导。第五章总结了研究成果，并对未来的研究方向和实际应用潜力提出展望。2.计算原理及方法2.1绝热近似在研究固体的物理属性时，经常需要处理由多个粒子构成的系统。根据量子力学中的薛定谔方程，我们可以通过求解波函数来了解这个系统的性质：H对于包含多个粒子的系统，其薛定谔方程可以表示为：H在这里，r和R分别代表电子和原子核的坐标集合。绝热近似在分子物理学、量子化学以及量子物理学等领域极为重要，因为它允许我们将多粒子体系的问题简化成两部分：考虑电子运动时，将原子核视作固定不动；而在探讨核运动时，将电子对核的影响以势能形式表现。因此，在绝热近似下，系统的总波函数可以分解为：ψ其中，χr,R描述了原子核的运动，φr,R描述了电子的运动。因为绝热近似，我们将原子核认为是静止的，即在绝热近似下的哈密顿量可以表示为:H=−这里，第一个是电子的动能，第二个是电子间的库仑相互作用，第三个是电子与原子核之间的相互作用势能，v其中vri是单个电子感受到的周期排列的离子实产生的势场。其中2.2Hartree-Fock近似为了进一步简化多电子薛定谔方程为单电子薛定谔方程，我们引入了单电子近似，即Hartree-Fock近似[33]。在研究多电子系统的量子力学问题时，Hartree-Fock近似是一种重要的理论工具，它通过将电子间的相互作用简化为在有效势场下的非相互作用的单电子运动来简化计算。在这个近似框架下，一个包含N个电子的系统的总波函数可以表示为所有单个电子波函数的乘积形式。Hartree最初提出了一种方法，即使用自洽场（SCF）的方法来解决Hartree方程，这是基于单电子波函数的迭代求解过程。HH当引入了Fock近似后，我们不仅考虑了波函数的交换反对称性，还通过Slater行列式来更准确地描述电子系统。由于Fock近似包含了电子的反交换对称性，这意味着电子的波函数必须包含自旋的信息。因此，Hartree-Fock方程在考虑了这些因素后，可以表述为：HH其中，Hi是第ⅈ个电子的有效哈密顿量，ψir是第ⅈ在Hartree-Fock近似下，多电子系统的总波函数可以通过Slater行列式构建，它是所有单电子波函数的反对称组合：ϕ=由于Fock近似考虑了电子反交换对称性，因此电子波函数要计入自旋，将波函数写成：φ而用Slater行列式来求能量的期望值时，积分元则包含了自旋变量，这样，自旋指标将不再出现。最终，我们得到了Hartree-Fock方程:−Hartree-Fock方法的核心在于，它将复杂的多体问题转化为了一系列单电子问题，通过迭代求解单电子的本征态和能级，最终得到系统的总波函数和能量。这种方法在量子化学和凝聚态物理中有着广泛的应用，尽管它忽略了电子间的关联作用，但在许多情况下仍然能够提供合理的结果。2.3密度泛函理论密度泛函理论(DensityFunctionalTheory，DFT)[34-35]是一种用电子密度分布n(r)作为基本变量的量子力学方法，用于研究多电子体系的电子结构。它提供了一种从头计算材料学和计算化学中常用的第一性原理计算框架。密度泛函理论的基本思想是使用电子的密度函数来描述原子、分子和固体的基态物理性质[36]。P．Hohenberg和Kohn基于Thomas-Fermi模型提出两个著名的定理[37-38]。Hohenberg-Kohn第一定理（Hohenberg-KohnFirstTheorem）：该定理指出，对于一个给定的外势能场，基态电子密度的唯一函数可以确定系统的全部基态性质。Hohenberg-Kohn第二定理（Hohenberg-KohnSecondTheorem）：该定理指出，对于一个给定的外势能场，真实基态电子密度是使得总能量达到最小值的电子密度。因此Hohenberg-Kohn能量泛函可以表示为：E其中，E为体系的总能，T为体系的动能，Eee是电子对排斥能，ρ为电子密度函数，V为了处理交换相关能的问题，Kohn与Sham提出了著名的Kohn-Sham方程。他们建议使用无相互作用的独立泛函来取代整个系统的交互作用泛函，并将所有偏差整合到交换相关泛函Excρ−V=v2.4交换关联泛函局域密度近似(LocalDensityApproximations,LDA)[39]认为交换关联泛函只与电荷密度有关，且电荷密度大的地方，交换关联泛函能量的强度就高。在局部密度近似（LDA）中，交换关联能泛函被定义为：Eε其中，εxcnr指的是每一个粒子的交换关联能，εxnr为交换能，εμ在LDA的基础上，引入电子密度的梯度展开因子∇ρr,提出了广义梯度近似(GGA)[40-41]E=时至今日已经发展了许多种GGA的具体模式，常用的有:Langreth-Mehl(LM)，Perdew-Wang91(PW91)和Perdew-Burke-Ernzerhof(PBE)。这次研究中用到的方法是GGA-PBE。2.5范德华相互作用范德华相互作用主要在非极性分子之间产生，例如惰性气体和许多有机分子。这种交互作用源自于分子内部电子的持续运动，从而在空间中形成了暂时性的电荷配置。这些瞬时电荷分布会导致周围分子的电子发生重排，形成临时的电偶极子，然后与其他分子的电子相互作用，引起吸引力或斥力。范德华相互作用的强度与分子间距离的第六次方成反比[15]。这意味着，当两个分子靠近时，相互作用力迅速增加，而当它们远离时，相互作用几乎可以忽略。尽管在宏观尺度上范德华力影响微弱，但在微观尺度上却至关重要。在化学、生物学以及材料科学等领域，范德华力扮演着至关重要的角色。在化学中，它影响着分子的结构、稳定性和反应性；在生物学中，参与了蛋白质的折叠和分子识别过程；而在材料科学中，则决定了材料的力学性能、表面性质和黏附力。2.6光学性质计算光学性质可以通过体系的介电常数来描述。复介电函数公式为:ε一般而言，物质的介电常数对应复数介电常数的实部部分ε1而复数介电常数的虚部ε2ω则与材料的吸收性质（损耗或增益）相连。当极化过程无法跟上外部高频电场的变化时所产生的多种松弛极化，揭示了材料的损耗特征。ε介电函数的实部ε1ε也可以从介电函数中得到其他光学常数。例如，吸收系数α(ω)，折射率n(ω)，反射率R(ω)和能量损失谱L(ω)都可以通过αn(ω)RL2.7VASP软件包介绍ViennaAb-initioSimulationPackage(VASP)是一种基于第一性原理的计算软件，专门用于研究固态物质的电子结构和性质。它采用密度泛函理论（DFT）和投影增强波方法（PAW）执行计算，并且能够模拟包括电子结构、晶体学结构、表面特性在内的多种材料属性。VASP提供了丰富的功能，如计算材料的能带结构、密度态密度、势能面、光学性质、振动频谱等。它采用了高效的算法和并行计算技术，可处理包含数百至数千个原子的大型体系。本论文中主要使用VASP软件包对金属硫族化合物/石墨烯异质结的电学性质和光学性质进行计算。图2-1VASP计算的流程如下:图2-1VASP软件的计算流程。3．石墨烯/MoS2异质结的第一性原理计算3.1引言自2004年物理学家Novoselov成功制备出单层石墨烯后[3,4]，石墨烯便迅速成为研究人员的热点之一。石墨烯因其良好的电导率、机械强度、导热率和高透光率等性质，在太阳能电池、照明和触摸屏等领域得到广泛应用[5,6]。然而，鉴于单层石墨烯固有的零能隙特征限制了其在特定领域的运用，人们为了拓展其应用潜力，一种策略是构建多层石墨烯或者范德华异质结构（vdWH）。得益于其巨大的比表面积、卓越的化学稳定性以及优良的电导性，单层石墨烯可以作为提升金属氧化物及金属硫化物性能的理想基体。MoS2是一种属于过渡金属硫属化合物(TMDs)的材料，它可能以层状或块材的形态存在。实验研究涉及到MoS2中硫空位的选择性吸附、在单轴拉伸应变下的光电性能等方面。研究表明，单层MoS2,表现为一种具有直接带隙的半导体，展现出卓越的电子传导能力和较高的电荷载体移动性。适用于纳米电子器件的制备，如晶体管、逻辑门等。MoS2纳米膜具有多种优异的物理和化学性质，适用于多种领域的应用。随着对其特性和合成技术深入研究的推进，预期它将在纳米技术领域扮演日益关键的角色。石墨烯/MoS2的异质结构为许多应用提供了潜力，例如在锂离子电池、氢释放反应等方面展示出出色的性能。尽管如此，关于石墨烯与MoS2构成的异质结构的光物理性质研究至今尚不彻底。这种结合了石墨烯的异质结构在众多应用领域显示出巨大前景，同时，MoS2因其直接带隙的电子结构，在许多光学应用中扮演着关键角色。因此，本节内容将采用密度泛函理论（DFT）进行计算，以期深入理解并揭示石墨烯/MoS2异质界面的光性能。3.2石墨烯/MoS2异质结的光学性质研究基于VASP（ViennaAb-initioSimulationPackage）软件包[13-14]进行了DFT计算，并且考虑到了范德华相互作用。MoS2的晶格常数为约3.16Å[15]，而石墨烯的晶格常数则约为2.47Å[16]。为了模拟这两种材料的结构特性，实验[22]采用了不同大小的超胞。MoS2采用了4×4×1的超胞，而石墨烯则选择了5×5×1的超胞。两者之间的晶格失配率大概为2.29%。为了构建GM异质结构，我们将单层石墨烯叠加在单层MoS2之上，形成了特定的结构，具体示意如图3-1所示。为了减少在垂直方向上周期性结构之间的相互作用，我们在模型中引入了20Å[17]的真空层。在理论计算中，我们采用了PAW[18]方法来描述离子与电子之间的相互作用，并在其中选择了Perdew-BurkeErnzerhof（PBE[19]）泛函的广义梯度近似（GGA[20]）来处理交换相关势。平面波截断能被设定为500eV。在优化结构时，我们将原子间总能量和力的收敛标准分别设定为10-4eV[14]和0.02eV/Å[21]。布里渊区积分采用了9×9×1的Monkhorst-Pack特征K点。根据以上条件，我们计算得到石墨烯与MoS2之间的平衡距离约为3.64Å[22]。在所有的模拟中，我们考虑了Grimme的DFT-D2方法[23]来处理范德华相互作用。图3-1GM异质结构的俯视图(a)和侧视图(b)[22]。其中，棕色，紫色和黄色原子分别表示C，Mo和S原子。为了比较石墨烯单层（G）、MoS2单层（M）和GM异质结构的不同处，先对这三个体系的电子结构进行了计算比较。它们的能带结构和电子态密度（DOS）如图3-2所展示，我们的计算结果与之前的研究[24-25]高度一致。根据图3-2的展示，石墨烯被认为是一种零带隙材料，而MoS2则是一种具有1.73eV[26]直接带隙的半导体材料。当它们堆叠形成GM结构（如图3-1所展示）时，异质结构的能隙测量为3.49毫电子伏。由于在石墨烯与MoS2层间的互作用效应，引起了石墨烯层内原子能级的调整，从而产生了能隙。从图3-2中可以明显观察到，形成异质结构后，电子结构发生了显著的变化。因此，我们可以合理推测GM异质结构的形成可能会对材料的光学性能产生影响。图3-2[4-7]石墨烯(G)(a)，MoS2(M)(b)和GM异质结构(c)的能带结构和电子态密度(DOS)。其中，设费米能级为零点。下一步，我们将推进研究在形成异质结构之前和之后材料的光学性质的变化。由于材料具有各向异性，对水平和垂直方向的光学参数分别进行相应的探究。先是介电常数。根据公式(2.6.1)[13-14]，介电常数由实部和虚部两个部分组成，如图3-3所示。图3-3(a)和3-3(b)分别展示了介电常数实部ε1ω在水平和垂直方向上的变化，而图3-3(c)和3-3(d)则分别显示了介电常数虚部ε2从图3-3(a)中可以清楚地看出，所有体系（G、M和GM）的总体趋势几乎相同，差异很小。在可见光区域（1.6eV-3.1eV）[28]内，ε1ω的值排列顺序为：GM体系>M体系>G体系，即GM体系的值大于M体系，而M体系的值又大于G体系。分析低能区（0eV-5eV）内的GM和G系统的光谱特性，观察到在ε1进一步分析图3-3(c)和3-3(d)，可以发现介电函数虚部ε2ω在水平和垂直方向上都发生了变化。由此可以得出结论ε1图3-3[1,3]介电常数实部ε1ω的平行向(a)和垂直向(b)及虚部ε2我们同样注重研究光学材料的吸收系数a(ω)。图3-4(a)和(b)分别分析了在水平和垂直方向上，吸收系数a(ω)的变化情况。无论是GM还是M体系，它们的总体变化趋势是相似的，不过在峰值及其对应的能量位置上有所区别。相比之下，GM与G体系之间则显现出较大的差异[1,3]。具体来说，GM体系的吸收峰所对应的能量位置比G体系要低。在这三个体系中，GM通常展现出较高的吸收系数a(ω)，然而在可见光范围内，G的a(ω)略超过了GM体系。图3-4(a)还展示了从0到2eV范围内a(ω图3-4[2,5]吸收系数a(ω)的平行向(a)和垂直向(b)及折射率n(ω)的平行向(c)和垂直向(d)。其中蓝色实线表示石墨烯(G)，红色实线表示MoSz(M),黑色实线表示异质结GM。折射率n(ω)的平行方向和垂直方向分别在图3-4(c)和(d)中得到。根据计算折射率的公式(2.6.5)[52-54]，得出折射率与介电常数的实部和虚部具有相关性的结论。通过对照图3-3中的介电常数和图3-4中的折射率图形，可以观察到图3-3(a)和(b)的变化趋势与图3-4(c)和(d)的变化趋势具有相似的特性[2,5]。这表明介电常数的实部在影响折射率方面起着主导作用。图3-5反射率Rω的平行向(a)和垂直向(b)及能量损失谱Lω的平行向(c)和垂直向(d)。其中蓝色实线表示石墨烯(G)，红色实线表示MoS2(M),黑色实线表示异质结GM图3-5(a)和(b)展示了反射率R(ω)在平行和垂直方向上的分布情况。在平行方向上，GM体系的反射率明显高于G和M体系，尤其在可见光区域。这表明GM体系相对于G体系存在一定的红移现象[4,6]，而这种趋势在垂直方向上也得到了体现。值得注意的是，在可见光区域，GM体系的反射率也显著高于其他两个体系。图3-5(c)和(d)展示了能量损失谱L(ω)的情况。在水平方向上，与其他两种系统相比，GM系统在低能范围的能量损耗显著更小。特别是G系统在低能区的峰值能量损耗达到2，而GM系统大约只有0.3。随着能量的上升，系统的损耗亦逐步增加。GM体系的能量损失主要集中在15-20eV[10]范围内，而G和M体系的能量损失范围从5eV[5]到20eV[18]，幅度较大。在垂直方向上，三个体系在低能量区域的能量损耗几乎可以忽略不计，表明垂直方向的功率损耗很小。GM体系的能量损失主要集中在15eV[12]到18eV[16]之间，而G和M体系的能量损失比较均匀地分布在5eV到15eV范围内，这表现出GM体系的能量损失主要出现在较高能量范围3.3结果与讨论在这项研究中，我们专注于分析GM异质结构的光响应特征。通过应用密度泛函理论（DFT），我们评估了材料体系的多种光学参数，包括介电常数、吸收系数、折射率、反射率以及能量损失函数。GM异质结构表现出的光反应特性，是由诸如石墨烯和金属的固有光学性能、结构配置的细节，及入射光波的不同波长等多种因素综合决定的。通过调控这些因素，可以实现对GM异质结构的光学性质进行定制，例如调节吸收率、透射率、反射率和散射效应。这为GM异质结构在光电子学、传感器、太阳能电池等领域的应用提供了潜在的机会。4．石墨烯/WSe2异质结的第一性原理计算4.1引言过渡金属硫族化合物（TMDs），特别是钨二硒化物（WSe2），电子和光电技术领域具有极大的应用价值，这包括生产隧道场效应晶体管（FET）、p-n结二极管、以及太阳能电池等多样设备。石墨烯/WSe2异质结作为一种具有潜在应用价值的二维异质结构材料，吸引了广泛的关注。它结合了石墨烯和WSe2两种材料的特性，具有丰富的光学、电子和磁学性质，展现了许多有趣的物理现象和潜在应用。为了深入理解石墨烯/WSe2异质结的基本物理特性以及探索其潜在的应用领域，第一性原理计算成为一种强大而有效的工具。使用密度泛函理论（DFT）[33]来计算石墨烯/WSe2异质结的能带结构。能带结构提供了关于材料导电性和带隙等重要信息。我们将探讨石墨烯和WSe2之间的电荷转移和能带对齐现象，以揭示异质结中电子的相互作用和输运性质。近来的研究指出，为了改善二维材料的光学性能，为了达到某些特定的效果，常见的做法涉及多种技术，如进行掺杂、吸附作用、创建空位缺陷、施加一个垂直方向的电场，以及调整层与层之间的距离等。新的研究结果表明，掺入锶系元素是一种有效的策略来提升二维材料的光学性能。基于石墨烯和WSe2的复合结构，被称为GW异质结，它拥有广阔的应用潜力。由于WSe2具有对于多种光学应用至关重要的直接带隙电子特性，所以这种异质结构被选为了实验对象。尽管由于其卓越的电学特性，GW异质结受到了广泛重视，但是对其在光学方面的表现还有进一步探究的必要。镧系元素的掺杂对石墨烯/WSe2异质结的影响是复杂的，受多种因素的综合作用。具体的影响取决于镧系元素的选择、掺杂浓度、掺杂位置等因素，以及石墨烯和WSe2本身的特性。因此，在设计和应用镧系元素掺杂的石墨烯/WSe2异质结时，需要进行详细的实验和理论研究，以充分理解其影响机制和优化性能。4.2空位对石墨烯/WSe2异质结性质的影响空位的引入可以改变石墨烯/WSe2异质结的电子结构。空位会形成额外的能级，并且可以与周围原子的电子相互作用，从而改变材料的导电性质和能带结构。具体来说，空位可以引入附加的态密度，改变能带对齐和能带间隙，影响导带和价带的位置和形状。空位的引入可以增强石墨烯/WSe2异质结对外界环境的敏感性。空位可以作为表面活性位点，吸附分子或原子，从而改变材料的化学反应性质和吸附能力。这在光催化、传感器等应用中具有重要意义。此外，空位的存在可以改变石墨烯/WSe2异质结的光学性质。空位引入的缺陷能级可以影响材料的光吸收和光发射特性，从而改变其吸收谱、发射谱和光致发光行为。其次，空位的引入可以影响石墨烯/WSe2异质结的机械性能。空位会导致晶格畸变和应力集中，从而影响材料的强度、刚度和韧性。特别是在纳米尺度下，空位可以显著影响材料的断裂行为和失效机制。需要注意的是，空位的引入可能会带来一些负面影响，如增加材料的缺陷密度、降低载流子迁移率等。因此，在设计和应用中，需要综合考虑空位的数量、分布和类型，以最大程度地利用其对石墨烯/WSe2异质结性质的调控作用。此外，对于空位引入的控制和优化，实验和理论研究的相结合是必要的，以深入理解空位对异质结的影响机制和优化性能。4.3掺杂对石墨烯/WSe2异质结性质的影响掺杂可以调节石墨烯/WSe2异质结的导电性能。例如，通过引入杂原子（如氮、硼等），可以改变异质结的电子结构，从而影响其导电性能。有些掺杂物可以增加载流子浓度，提高导电性，而有些则可能降低导电性能。此外，掺杂也可以调节石墨烯/WSe2异质结的光学性能。掺杂物的引入可能会改变异质结的光吸收、发射和散射行为，从而影响其光学特性。这对于光电器件的设计和优化具有重要意义。某些掺杂物的引入可能会引起石墨烯/WSe2异质结的磁性。例如，引入磁性原子或磁性杂质可以改变异质结的磁性特性，这对于磁存储和磁传感器等应用具有潜在的价值。掺杂还可能改变石墨烯/WSe2异质结的化学反应性。引入特定的化学元素可以改变异质结的表面活性和吸附能力，从而影响其在催化、传感和环境治理等方面的应用。掺杂也可能影响石墨烯/WSe2异质结的稳定性。一些掺杂物可能增强异质结的稳定性，减缓其在环境条件下的退化速度，从而延长其使用寿命。总的来说，掺杂是一种有效的手段，可以调节石墨烯/WSe2异质结的性质和性能，为其在电子、光电、磁性等领域的应用提供了广阔的可能性。但需要注意的是，掺杂过程可能会引入额外的缺陷，因此需要仔细考虑掺杂条件和方法，以最大限度地发挥其优势并减少不利影响。4.4结果与讨论本章我们可以通过计算异质结的电子结构来确定掺杂对其能带结构的影响。这包括导带和价带的位置和形状，以及可能出现的额外能级。例如，掺杂某些原子可能会引入额外的能级，从而改变导电性能。这种电子结构的调节对于理解异质结的导电性质至关重要。然后，利用第一性原理计算可以预测异质结在不同波长下的光吸收、光发射和光学吸收谱等性质。通过分析掺杂对能带结构的影响，我们可以了解掺杂如何调节异质结的光学性质。这对于光电器件的设计和优化具有重要意义。此外，掺杂可能会影响异质结的磁性。通过计算体系的磁性能，我们可以确定掺杂对异质结磁性的影响。例如，掺杂具有磁性的原子可能会引起异质结的磁性，这对于磁性器件的设计和应用具有重要意义。通过计算异质结的结合能等参数，我们可以评估掺杂对异质结稳定性的影响。一些掺杂可能会影响异质结的稳定性，可能导致结构松弛或退化。综上所述，通过第一性原理计算[17]可以揭示掺杂对石墨烯/WSe2异质结性质的影响，为其在各种应用中的定制和优化提供理论指导。结论本项研究借助VASP软件工具，对金属硫化物与石墨烯构成的异质结构的光学特性进行了详尽的分析。初始步骤中，我们应用密度泛函理论来探究石墨烯/MoS2异质体系的电子性质和光性能。使用VASP软件在超胞模型下优化了金属硫族化合物和石墨烯异质结的晶体结构。通过计算得到的晶格常数、原子位置和结构参数，我们可以确保所研究的模型具有较高的结构稳定性。接下来，我们计算了金属硫族化合物和石墨烯异质结的电子结构。通过计算得到的能带结构和态密度图，我们可以了解材料的导电性质和能带隙大小。研究结果显示，金属硫属化物与石墨烯构成的异质结构，由于它们良好的导电性和较小的带隙特性，因此在光电设备领域内具备应用的潜力。接着，我们探究了金属硫属化合物与石墨烯构成的异质结构的光吸收特性。通过计算得到的吸收谱图，我们可以确定材料在可见光和紫外光范围内的光吸收能力。研究结果表明，这些材料在可见光范围内具有较高的吸收率，因此可以作为高效的光吸收材料应用于太阳能电池、光电探测器等领域。此外，我们还计算了金属硫族化合物和石墨烯异质结的折射率和透射率。通过计算得到的折射率和透射率曲线，我们可以评估材料对光的传播和折射的能力。研究结果显示，金属硫族化合物和石墨烯异质结具有较高的折射率和透射率，表明其在光学器件中具有潜在的应用前景。最后，我们还计算了金属硫族化合物和石墨烯异质结的吸收系数。通过计算得到的吸收系数曲线，我们可以评估材料对光的吸收强度。研究结果表明，金属硫族化合物和石墨烯异质结具有较高的吸收系数，这意味着它们在光学器件中可实现高效的光吸收。综上所述，本研究使用VASP软件对金属硫族化合物和石墨烯异质结的光学性能进行了深入研究。通过计算得到的电子结构、光吸收谱、折射率、透射率以及吸收系数等关键光学性质，我们可以更好地理解这些材料在光学器件中的应用潜力。这些研究结果为材料科学领域的进一步研究和应用提供了重要的参考依据。参考文献[1]F.Liu,J.Zhu,Y.Xu,etal.SnX