MoS₂體系的Cu原子吸附效應(yīng)研究

孫金芳

【摘 要】本文基于第一性原理，利用Materials Studio軟件中的castep模塊，計(jì)算了Cu原子在單層和雙層MoS2晶體中的吸附效果以及對整個(gè)體系性能的影響。結(jié)果表明：對于層表面吸附和層間吸附的穩(wěn)定性有所差異。對單層和雙層的MoS2表面吸附情況分析可知，TMo吸附位置最穩(wěn)定，對于雙層間吸附性，BMo吸附位置最穩(wěn)定。

【Abstract】Based on the first principle， this paper uses the castep module in Materials Studio software to calculate the adsorption effect of Cu atoms in single-layer and double-layer MoS2 crystals and the influence on the performance of the whole system. The results show that the stability of layer surface adsorption and interlayer adsorption is different. The adsorption of single layer and double layer on the adsorption of MoS2 surface shows that the TMo adsorption position is the most stable one. For the adsorbability between two layers， the location of BMo adsorption is the most stable one.

【關(guān)鍵詞】第一性原理；MoS2；Cu原子；吸附

【Keywords】 first principle； MoS2； Cu atom； adsorption

【中圖分類號】U283.5 【文獻(xiàn)標(biāo)志碼】A 【文章編號】1673-1069（2018）04-0164-02

1 引言

MoS2作為一種典型的層狀過渡金屬硫族化合物，因其單層存在直接帶隙，其能帶結(jié)構(gòu)優(yōu)于零帶隙的石墨烯，是一種性能優(yōu)良的半導(dǎo)體材料，在電磁學(xué)和電子器件等技術(shù)領(lǐng)域都有很大的應(yīng)用價(jià)值[1]。體MoS2所在的空間群為P6_3/mmc，其結(jié)構(gòu)為間接帶隙半導(dǎo)體，帶寬為1.29eV，層與層間通過范德瓦爾斯力相結(jié)合的。類似于石墨烯，單層和少數(shù)層MoS2可通過機(jī)械剝離技術(shù)剝離出來，且單層MoS2層內(nèi)的Mo原子和S原子之間形成強(qiáng)共價(jià)鍵，因此單層結(jié)構(gòu)非常穩(wěn)定，這種容易制備又穩(wěn)定的材料引起了研究者們的廣泛關(guān)注。

2 計(jì)算模型

在計(jì)算過程中，本文采用的軟件是基于密度泛函（DFT）理論的第一性原理計(jì)算程序包CASTEP。采用廣義梯度近似中的PBE關(guān)聯(lián)泛函來對計(jì)算中交換關(guān)聯(lián)勢進(jìn)行描述。布里淵區(qū)我們采用3×3×1k網(wǎng)格[2]。選用平面波函數(shù)截?cái)嗄転?80eV，在結(jié)構(gòu)弛豫過程中，具體參數(shù)設(shè)置為，能量收斂標(biāo)準(zhǔn)為10-4eV，原子間作用力收斂判據(jù)為0.01eV/？魡。

因?qū)訝頜oS2具有六角對稱性，我們依次在六個(gè)高對稱位置（TMo，TS，Htop，BS，BMo，Hin）放置Cu原子，然后進(jìn)行弛豫操作。計(jì)算過程中分別在單層和雙層表面設(shè)置了三個(gè)吸附位置。其中，TMo表示放置在Mo原子正上方，TS表示放置在S原子的正上方，Htop表示放置在六元環(huán)中心位置[3]。同樣的對于雙層MoS2三個(gè)層間吸附的位置分別為：在第一層MoS2中的S原子的正下面記為BS，在第一層Mo原子的正下面記為BMo，在上下兩層由S-Mo-S 構(gòu)成的六元環(huán)的中心記為Hin。由雙層MoS2的結(jié)構(gòu)對稱性可知BS和BMo的位置是等效的，所以在計(jì)算時(shí)只考慮了BS和Hin兩個(gè)位置。構(gòu)建4*4的MoS2超胞，Cu原子吸附在MoS2不同位置的構(gòu)型如圖1（c，d，e）所示。 4*4的超胞能夠保證兩個(gè)相鄰Cu原子在間距超過10？魡，這樣可以忽略它們之間的相互作用力。同時(shí)為了減小層間原子的相互影響，在z方向上建立10？魡的真空層。在計(jì)算中，二維超胞的晶格參數(shù)我們參照單胞的實(shí)驗(yàn)參數(shù)a=3.16？魡，獲得在xy平面， b=c=12.64？魡。為了獲得更優(yōu)的吸附構(gòu)型，我們計(jì)算了各個(gè)系統(tǒng)的吸附能，吸附能定義為：

E（adsorption）=E（Cu+MoS2sheet）-EMoS2sheet-ECu

E（Cu+MoS2sheet）是吸附體系總能， EMoS2sheet是孤立MoS2片的總能，ECu是相對應(yīng)孤立時(shí)金屬Cu原子的總能。當(dāng)吸附過程放熱時(shí)吸附能為負(fù)，發(fā)生了化學(xué)反應(yīng)，吸附能越小表明過渡金屬Cu原子吸附越穩(wěn)定。

3 結(jié)果分析

通過分析兩個(gè)吸附系統(tǒng)中三個(gè)位置的吸附能，發(fā)現(xiàn)從不同層的MoS2表面吸附性能來看，TMo位置最穩(wěn)定，對于雙層MoS2的層間吸附來看，BMo位置最穩(wěn)定。通過分析雙層MoS2的兩種吸附情況發(fā)現(xiàn)，層間的BMo位置吸附能最低，最為穩(wěn)定。這說明對于雙層MoS2，層間吸附更為穩(wěn)定。通過castep計(jì)算結(jié)果可知，三個(gè)不同結(jié)構(gòu)的MoS2穩(wěn)定結(jié)構(gòu)中Cu原子和緊鄰S原子成鍵的鍵長以及吸附高度數(shù)值。單層和雙層MoS2的表面吸附時(shí)，Cu-S鍵長為2.14？魡，吸附高度為0.90？魡，說明層數(shù)對吸附穩(wěn)定性的影響較小。對于雙層MoS2的層間吸附情況，Cu原子和上層三個(gè)S原子所形成鍵長皆為2.21？魡，與下層一個(gè)S原子所成鍵的鍵長為2.22？魡，這說明所有S原子與Cu原子間的吸附能力相當(dāng)。

單層和雙層的本征MoS2的態(tài)密度（DOS）如圖1和圖2所示，結(jié)果表明單層和雙層MoS2的帶隙分別為1.75eV和1.62eV。

圖3和圖4是單層和雙層MoS2表面吸附Cu原子的態(tài)密度圖，圖5是雙層MoS2層間吸附Cu原子的態(tài)密度圖。從圖中可知，對于三個(gè)不同吸附位置的體系，吸附Cu原子后都在原始帶隙中引入了雜質(zhì)態(tài)，而且費(fèi)米面附近的雜質(zhì)態(tài)是由自旋向下的電子態(tài)構(gòu)成。然而，對于表面吸附體系，從圖3和圖4態(tài)密度圖可知雜質(zhì)態(tài)和費(fèi)米能級之間最小帶寬約為0.2eV。所以，表面吸附體系仍具有半導(dǎo)體特性。對于層間吸附體系，如圖5所示，有部分自旋向下的電子構(gòu)成的雜質(zhì)態(tài)剛好出現(xiàn)在費(fèi)米能級附近，從而使得該體系在費(fèi)米能級附近全部發(fā)生自旋極化。這說明在費(fèi)米能級附近有一個(gè)自旋的電子通道，即雙層MoS2層間吸附體系表現(xiàn)出半金屬特性。

本文采用castep模塊計(jì)算了單層和雙層MoS2表面吸附和層間吸附金屬原子Cu后的穩(wěn)定性和電磁學(xué)性能。通過計(jì)算結(jié)果分析得到了一些重要結(jié)論。首先，找到了Cu原子吸附在單層和雙層MoS2表面和層間的具體穩(wěn)定位置，Cu原子和周邊原子間形成了共價(jià)鍵；Cu原子吸附后其局域磁矩減小。其次，通過三個(gè)不同穩(wěn)定位置的吸附性能研究，發(fā)現(xiàn)Cu原子在表面吸附后，整體仍表現(xiàn)出半導(dǎo)體特性，僅僅在本征體系中引入了雜質(zhì)態(tài)能系。最后，對于Cu原子吸附在雙層MoS2層間，整個(gè)系統(tǒng)在費(fèi)米面附近顯示出了完全自旋極化特征，即整體表現(xiàn)出了半金屬特性。這些現(xiàn)象為MoS2在自旋電子學(xué)方面的應(yīng)用提供了理論支持。

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