孙金芳
【摘要】本文基于第一性原理，利用MtrlsStud软件中的stp模块，计算了Cu原子在单层和双层MS2晶体中的吸附效果以及对整个体系性能的影响。结果表明：对于层表面吸附和层间吸附的稳定性有所差异。对单层和双层的MS2表面吸附情况分析可知，TM吸附位置最稳定，对于双层间吸附性，BM吸附位置最稳定。
【Abstrt】dthfrstprpl，thspprussthstpdulMtrlsStudsftrtlultthdsrptfftfCutssl-ddubl-MS2rystlsdthfluthprfrfthhlsystThrsultsshthtthstbltyfsurfdsrptdtrdsrptsdffrtThdsrptfslddublthdsrptfMS2surfshsthtthTMdsrptpststhststblFrthdsrbbltybtts，thltfBMdsrptsthststbl
【关键词】第一性原理；MS2；Cu原子；吸附
【Kyrds】frstprpl；MS2；Cut；dsrpt
【中图分类号】U2835【文献标志码】A【文章编号】673-069（208）04-064-02
引言
MS2作为一种典型的层状过渡金属硫族化合物，因其单层存在直接带隙，其能带结构优于零带隙的石墨烯，是一种性能优良的半导体材料，在电磁学和电子器件等技术领域都有很大的应用价值[]。体MS2所在的空间群为P6_3/，其结构为间接带隙半导体，带宽为29V，层与层间通过范德瓦尔斯力相结合的。类似于石墨烯，单层和少数层MS2可通过机械剥离技术剥离出来，且单层MS2层内的M原子和S原子之间形成强共价键，因此单层结构非常稳定，这种容易制备又稳定的材料引起了研究者们的广泛关注。
2计算模型
在计算过程中，本文采用的软件是基于密度泛函（DFT）理论的第一性原理计算程序包CASTEP。采用广义梯度近似中的PBE关联泛函来对计算中交换关联势进行描述。布里渊区我们采用3×3×网格[2]。选用平面波函数截断能为380V，在结构弛豫过程中，具体参数设置为，能量收敛标准为0-4V，原子间作用力收敛判据为00V/？魡。
因层状MS2具有六角对称性，我们依次在六个高对称位置（TM，TS，Htp，BS，BM，H）放置Cu原子，然后进行弛豫操作。计算过程中分别在单层和双层表面设置了三个吸附位置。其中，TM表示放置在M原子正上方，TS表示放置在S原子的正上方，Htp表示放置在六元环中心位置[3]。同样的对于双层MS2三个层间吸附的位置分别为：在第一层MS2中的S原子的正下面记为BS，在第一层M原子的正下面记为BM，在上下两层由S-M-S构成的六元环的中心记为H。由双层MS2的结构对称性可知BS和BM的位置是等效的，所以在计算时只考虑了BS和H两个位置。构建4*4的MS2超胞，Cu原子吸附在MS2不同位置的构型如图（，d，）所示。4*4的超胞能够保证两个相邻Cu原子在间距超过0？魡，这样可以忽略它们之间的相互作用力。同时为了减小层间原子的相互影响，在z方向上建立0？魡的真空层。在计算中，二维超胞的晶格参数我们参照单胞的实验参数=36？魡，获得在xy平面，b==264？魡。为了获得更优的吸附构型，我们计算了各个系统的吸附能，吸附能定义为：
E（dsrpt）=E（Cu+MS2sht）-EMS2sht-ECu
E（Cu+MS2sht）是吸附体系总能，EMS2sht是孤立MS2片的总能，ECu是相对应孤立时金属Cu原子的总能。当吸附过程放热时吸附能为负，发生了化学反应，吸附能越小表明过渡金属Cu原子吸附越稳定。
3结果分析
通过分析两个吸附系统中三个位置的吸附能，发现从不同层的MS2表面吸附性能来看，TM位置最稳定，对于双层MS2的层间吸附来看，BM位置最稳定。通过分析双层MS2的两种吸附情況发现，层间的BM位置吸附能最低，最为稳定。这说明对于双层MS2，层间吸附更为稳定。通过stp计算结果可知，三个不同结构的MS2稳定结构中Cu原子和紧邻S原子成键的键长以及吸附高度数值。单层和双层MS2的表面吸附时，Cu-S键长为24？魡，吸附高度为090？魡，说明层数对吸附稳定性的影响较小。对于双层MS2的层间吸附情况，Cu原子和上层三个S原子所形成键长皆为22？魡，与下层一个S原子所成键的键长为222？魡，这说明所有S原子与Cu原子间的吸附能力相当。
单层和双层的本征MS2的态密度（DOS）如图和图2所示，结果表明单层和双层MS2的带隙分别为75V和62V。
图3和图4是单层和双层MS2表面吸附Cu原子的态密度图，图5是双层MS2层间吸附Cu原子的态密度图。从图中可知，对于三个不同吸附位置的体系，吸附Cu原子后都在原始带隙中引入了杂质态，而且费米面附近的杂质态是由自旋向下的电子态构成。然而，对于表面吸附体系，从图3和图4态密度图可知杂质态和费米能级之间最小带宽约为02V。所以，表面吸附体系仍具有半导体特性。对于层间吸附体系，如图5所示，有部分自旋向下的电子构成的杂质态刚好出现在费米能级附近，从而使得该体系在费米能级附近全部发生自旋极化。这说明在费米能级附近有一个自旋的电子通道，即双层MS2层间吸附体系表现出半金属特性。
本文采用stp模块计算了单层和双层MS2表面吸附和层间吸附金属原子Cu后的稳定性和电磁学性能。通过计算结果分析得到了一些重要结论。首先，找到了Cu原子吸附在单层和双层MS2表面和层间的具体稳定位置，Cu原子和周边原子间形成了共价键；Cu原子吸附后其局域磁矩减小。其次，通过三个不同稳定位置的吸附性能研究，发现Cu原子在表面吸附后，整体仍表现出半导体特性，仅仅在本征体系中引入了杂质态能系。最后，对于Cu原子吸附在双层MS2层间，整个系统在费米面附近显示出了完全自旋极化特征，即整体表现出了半金属特性。这些现象为MS2在自旋电子学方面的应用提供了理论支持。
【参考文献】
【】曹娟，崔磊，潘靖V，Cr，M掺杂MS2磁性的第一性原理研究[J]物理学报，203（8）：404-40
【2】张昌华，余志强，廖红华T掺杂单层MS2的电子结构与光电性质[J]发光学报，204，35（7）：785-790
【3】李刚，陈敏强，赵世雄，等S掺杂对单层MS2电子能带结构和光吸收性质的影响[J]物理化学学报，206，32（2）：2905-292
文章来源于：中小企业管理与科技·上旬刊