应变对单层二硫化钼能带影响的第一性原理研究.pdf

物理学报 Acta Phys. Sin. Vol. 61, No. 22 (2012) 227102 应变对单层二硫化钼能带影响的第一性原理研究* 吴木生 徐波 刘刚 欧阳楚英 ( 江西师范大学物理与通信电子学院, 南昌 330022 ) ( 2012 年3 月31 日收到; 2012 年6 月5 日收到修改稿) 采用密度泛函理论框架下的第一性原理平面波赝势方法, 研究了双轴拉应变下单层二硫化钼晶体的电子结构 性质. 本文的计算结果表明对单层二硫化钼晶体施加一个很小的应变(0.5%) 时, 其能带结构由直接带隙转变为间接 带隙. 随着应变的增加, 能带仍然保持间接带隙的特征, 且禁带宽度呈现线性下降的趋势. 通过对单层二硫化钼晶体 态密度和投影电荷密度的进一步分析, 揭示了单层二硫化钼晶体能带变化的原因. 关键词: 二硫化钼, 应变, 能带, 第一性原理 PACS: 71.15.Mb, 73.22.f 互作用对其能带结构的影响, 研究发现层的数量越 1 引言 少, 带隙越大, 当MoS 晶体变为单层时, 其能带变 为直接带隙. 近年来, 过渡金属层状二元化合物因具有良 由于单层MoS 和其体材料电子结构性能的 好的光、电、润滑、催化等性能引起人们的广泛 差异, MoS 体材料是间接带隙半导体, 而单层材料 注意, 特别对单层过渡金属二元化合物(如二硫化 是直接带隙半导体 . 这种差异的来源, 显然是 钼) 的研究越来越多− . 二硫化钼(MoS ) 由于 由于层与层之间的弱范德华力作用引起的. 因此, 其二维超薄的原子层结构而具有独特的光学和电 我们可以推测, 单层MoS 的电子结构, 很容易受 学特性. MoS 的化学稳定性和热稳定性良好, 比 到外界的因素发生改变, 从而可以作为一种典型的 表面积大, 表面活性高. 由于结构的特殊性, 使其在 可调控能带结构的范例. 然而, 现有的研究, 对单 电子探针 、固体润滑剂 、多相催化剂 、 层MoS 的电子结构的探讨还比较粗浅, 对其带隙 电化学储氢 、以及电化学储锂 等方面获得 结构容易发生改变的物理原因尚不清楚. 为此, 本 广泛的研究. 最近, 利用单层MoS 作为通道材料 文将通过第一性原理计算, 分析单层MoS 能带结 制造出了具有高电流开关比 (1 10 ) 和电子迁 构形成的物理机理, 并通过拉应力来实现对其电子 − − 移率 (200 cm V s ) 的超低待机功耗场效应 结构的调控. 计算结果表明拉应力对单层MoS 的 管 . 电子能带结构的影响非常明显, 在一个微小的拉应 MoS 晶体是禁带宽度为1.29 eV 的间接带隙 变下(0.5%)MoS 的能带结构便由直接带隙转变为 半导体 , 而单层MoS 膜具有禁带宽度