基于第一性原理探究單層二碲化鉬疇界缺陷特性及影響一、引言1.1研究背景與意義2004年，曼徹斯特大學(xué)Geim小組成功分離出單原子層的石墨材料——石墨烯，這一突破性成果開啟了二維材料的研究熱潮。二維材料，作為電子僅可在兩個(gè)維度的非納米尺度（1-100nm）上自由運(yùn)動(dòng)的材料，展現(xiàn)出諸多與傳統(tǒng)三維材料截然不同的特性。其特殊的原子結(jié)構(gòu)和電子態(tài)分布，賦予了材料在電學(xué)、磁學(xué)、光學(xué)和力學(xué)等多方面的優(yōu)異性能，在半導(dǎo)體器件、能源存儲(chǔ)與轉(zhuǎn)換、傳感器、催化等眾多領(lǐng)域呈現(xiàn)出巨大的應(yīng)用潛力。二維過渡金屬二硫化物（TMDs）是二維材料家族中的重要成員，具有獨(dú)特的晶體結(jié)構(gòu)和電子性質(zhì)。這類材料由過渡金屬原子（如Mo、W等）與硫族原子（如S、Se、Te等）通過共價(jià)鍵結(jié)合而成，呈現(xiàn)出層狀結(jié)構(gòu)。在TMDs中，單層二碲化鉬（MoTe?）憑借其獨(dú)特的物理性質(zhì)，成為了研究的焦點(diǎn)之一。MoTe?體材料是間接帶隙半導(dǎo)體，然而，當(dāng)厚度減薄至單層時(shí)，量子限域效應(yīng)使其帶隙轉(zhuǎn)變?yōu)榧s1.10eV的直接帶隙。這種直接帶隙特性，不僅拓寬了其光譜響應(yīng)范圍至近紅外波段，還使得單層MoTe?在光電器件應(yīng)用中展現(xiàn)出巨大優(yōu)勢(shì)。此外，室溫下單層MoTe?的載流子遷移率比MoS?更高，這為其在高速電子學(xué)器件中的應(yīng)用提供了可能。這些優(yōu)異的性質(zhì)，使得單層MoTe?在晶體管、超導(dǎo)體、谷光電子器件以及光電探測(cè)器等領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。例如，在晶體管應(yīng)用中，較高的載流子遷移率可提高器件的開關(guān)速度和工作頻率；在谷光電子器件中，其獨(dú)特的能谷特性有望實(shí)現(xiàn)信息的高效編碼與傳輸。高質(zhì)量的二維材料是實(shí)現(xiàn)高性能器件應(yīng)用的基礎(chǔ)。在實(shí)際制備過程中，無論是化學(xué)氣相沉積（CVD）還是化學(xué)氣相傳輸（CVT）等方法，都難以避免地會(huì)引入各種本征缺陷。點(diǎn)缺陷、疇界缺陷等在二維材料中普遍存在。這些缺陷的存在，對(duì)二維材料的電學(xué)、光學(xué)、磁學(xué)等性質(zhì)產(chǎn)生著深遠(yuǎn)的影響。值得注意的是，缺陷對(duì)材料性質(zhì)的影響并非完全負(fù)面。例如，在本征過渡金屬硫化物中，由于其無磁性，在自旋電子學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用受到極大限制。而二維TMDs部分缺陷處會(huì)產(chǎn)生較強(qiáng)的局域磁矩，這為自旋電子器件的應(yīng)用開辟了新的途徑。又如，某些缺陷可以作為活性位點(diǎn)，增強(qiáng)材料在催化反應(yīng)中的活性；在光學(xué)性質(zhì)方面，缺陷可能導(dǎo)致發(fā)光特性的改變，為新型發(fā)光材料的開發(fā)提供了可能。因此，深入研究二維材料中缺陷的性質(zhì)，對(duì)于理解材料的本征特性、優(yōu)化材料性能以及拓展材料應(yīng)用具有至關(guān)重要的意義。單層MoTe?中本征疇界缺陷的磁性和電子性質(zhì)的研究相對(duì)較少。疇界缺陷作為一種特殊的線缺陷，其原子排列的不規(guī)則性會(huì)導(dǎo)致局部電子結(jié)構(gòu)和能量狀態(tài)的改變，進(jìn)而影響材料的宏觀性質(zhì)。通過對(duì)單層MoTe?疇界缺陷的深入研究，可以揭示缺陷與材料性能之間的內(nèi)在聯(lián)系，為調(diào)控材料性質(zhì)提供理論依據(jù)。從理論層面來看，研究疇界缺陷有助于深化對(duì)二維材料中電子-晶格相互作用、電子關(guān)聯(lián)效應(yīng)等基礎(chǔ)物理問題的理解，豐富二維材料的物理內(nèi)涵；從應(yīng)用角度出發(fā)，掌握疇界缺陷對(duì)材料性能的影響規(guī)律，能夠?yàn)楦哔|(zhì)量單層MoTe?材料的制備工藝優(yōu)化提供指導(dǎo)，提高材料的質(zhì)量和一致性，降低生產(chǎn)成本，推動(dòng)其在各類器件中的實(shí)際應(yīng)用。同時(shí)，通過對(duì)疇界缺陷的有效調(diào)控，還可能開發(fā)出具有獨(dú)特性能的新型材料，滿足未來科技發(fā)展對(duì)高性能材料的需求。1.2國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀自2004年石墨烯被首次成功制備以來，二維材料憑借其獨(dú)特的原子結(jié)構(gòu)和物理性質(zhì)，在全球范圍內(nèi)引發(fā)了廣泛而深入的研究熱潮。二維過渡金屬二硫化物（TMDs）作為二維材料家族的重要成員，由于其在電學(xué)、光學(xué)、力學(xué)等方面展現(xiàn)出的優(yōu)異性能，在下一代納米電子設(shè)備、能源存儲(chǔ)與轉(zhuǎn)換、傳感器等眾多領(lǐng)域具有重要的應(yīng)用價(jià)值，成為了研究的焦點(diǎn)之一。在眾多TMDs材料中，二碲化鉬（MoTe?）因其特殊的晶體結(jié)構(gòu)和電子性質(zhì)，受到了國(guó)內(nèi)外科研人員的高度關(guān)注。在國(guó)外，美國(guó)麻省理工學(xué)院的研究團(tuán)隊(duì)在二維材料的基礎(chǔ)研究方面取得了多項(xiàng)重要成果。他們通過先進(jìn)的實(shí)驗(yàn)技術(shù)，深入研究了二維材料中電子與晶格的相互作用，揭示了一些獨(dú)特的物理現(xiàn)象。例如，在對(duì)MoTe?的研究中，利用高分辨率電子顯微鏡，觀察到了MoTe?晶體中原子的精確排列方式，以及在外部電場(chǎng)作用下電子態(tài)的變化，為理解MoTe?的電學(xué)性質(zhì)提供了直觀的實(shí)驗(yàn)依據(jù)。哈佛大學(xué)的科研人員則致力于探索MoTe?在量子器件中的應(yīng)用潛力，通過巧妙的設(shè)計(jì)和制備工藝，成功構(gòu)建了基于MoTe?的原型量子器件，并對(duì)其性能進(jìn)行了系統(tǒng)研究，發(fā)現(xiàn)了一些與傳統(tǒng)器件不同的量子特性，為未來量子計(jì)算和通信技術(shù)的發(fā)展提供了新的思路。在國(guó)內(nèi)，清華大學(xué)的研究小組在二維材料的生長(zhǎng)和制備技術(shù)方面取得了突破性進(jìn)展。他們通過優(yōu)化化學(xué)氣相沉積（CVD）工藝，成功制備出高質(zhì)量、大面積的單層MoTe?薄膜，并且在薄膜的均勻性和結(jié)晶質(zhì)量方面達(dá)到了國(guó)際領(lǐng)先水平。這一成果為MoTe?在實(shí)際器件中的應(yīng)用奠定了堅(jiān)實(shí)的材料基礎(chǔ)。中國(guó)科學(xué)院物理研究所的科研團(tuán)隊(duì)則在MoTe?的物理性質(zhì)研究方面做出了重要貢獻(xiàn)。他們運(yùn)用多種先進(jìn)的實(shí)驗(yàn)手段，如角分辨光電子能譜（ARPES）、掃描隧道顯微鏡（STM）等，對(duì)MoTe?的電子結(jié)構(gòu)、能帶特性等進(jìn)行了深入研究，精確測(cè)量了MoTe?的能帶結(jié)構(gòu)和電子態(tài)密度，揭示了其能帶反轉(zhuǎn)和拓?fù)湫再|(zhì)，為MoTe?在拓?fù)淞孔佑?jì)算領(lǐng)域的應(yīng)用提供了理論支持。在二維材料的缺陷研究方面，國(guó)外的研究起步較早，取得了一系列具有影響力的成果。英國(guó)劍橋大學(xué)的研究團(tuán)隊(duì)通過理論計(jì)算和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證相結(jié)合的方法，系統(tǒng)研究了二維材料中點(diǎn)缺陷對(duì)電子輸運(yùn)性質(zhì)的影響。他們建立了精確的理論模型，能夠準(zhǔn)確預(yù)測(cè)點(diǎn)缺陷的形成能和遷移率，以及對(duì)材料電學(xué)性能的影響機(jī)制。美國(guó)斯坦福大學(xué)的科研人員則專注于研究二維材料中疇界缺陷的結(jié)構(gòu)和性質(zhì)，利用先進(jìn)的透射電子顯微鏡技術(shù)，成功觀察到了疇界缺陷的原子結(jié)構(gòu)和分布情況，為理解疇界缺陷的形成機(jī)制提供了關(guān)鍵的實(shí)驗(yàn)證據(jù)。國(guó)內(nèi)的科研團(tuán)隊(duì)在二維材料缺陷研究領(lǐng)域也取得了顯著的成績(jī)。北京大學(xué)的研究小組通過第一性原理計(jì)算，深入研究了二維材料中缺陷與雜質(zhì)之間的相互作用，揭示了雜質(zhì)對(duì)缺陷形成和演化的影響規(guī)律，為通過雜質(zhì)工程調(diào)控二維材料性能提供了理論指導(dǎo)。中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)的科研團(tuán)隊(duì)則在實(shí)驗(yàn)上通過對(duì)二維材料進(jìn)行精確的缺陷控制，制備出具有特定性能的二維材料器件，并對(duì)其性能進(jìn)行了詳細(xì)研究，展示了缺陷調(diào)控在優(yōu)化二維材料器件性能方面的巨大潛力。然而，目前對(duì)于單層MoTe?中本征疇界缺陷的磁性和電子性質(zhì)的研究相對(duì)較少。雖然國(guó)內(nèi)外學(xué)者在二維材料的整體研究中取得了眾多成果，但針對(duì)單層MoTe?這一特定材料的疇界缺陷研究仍存在許多空白。疇界缺陷作為一種特殊的線缺陷，其原子排列的不規(guī)則性會(huì)導(dǎo)致局部電子結(jié)構(gòu)和能量狀態(tài)的改變，進(jìn)而影響材料的宏觀性質(zhì)?，F(xiàn)有的研究主要集中在點(diǎn)缺陷對(duì)單層MoTe?性質(zhì)的影響，而對(duì)于疇界缺陷的研究還不夠系統(tǒng)和深入。在磁性方面，雖然已經(jīng)知道二維TMDs部分缺陷處會(huì)產(chǎn)生局域磁矩，但對(duì)于單層MoTe?疇界缺陷處磁矩的產(chǎn)生機(jī)制、大小和方向的調(diào)控等問題，尚未有明確的結(jié)論。在電子性質(zhì)方面，疇界缺陷對(duì)電子的散射機(jī)制、載流子遷移率以及能帶結(jié)構(gòu)的影響等，都有待進(jìn)一步深入研究。深入研究單層MoTe?中本征疇界缺陷的磁性和電子性質(zhì)具有重要的理論和實(shí)際意義。從理論角度來看，這有助于深化對(duì)二維材料中電子-晶格相互作用、電子關(guān)聯(lián)效應(yīng)等基礎(chǔ)物理問題的理解，豐富二維材料的物理內(nèi)涵。從實(shí)際應(yīng)用角度出發(fā)，掌握疇界缺陷對(duì)材料性能的影響規(guī)律，能夠?yàn)楦哔|(zhì)量單層MoTe?材料的制備工藝優(yōu)化提供指導(dǎo)，提高材料的質(zhì)量和一致性，降低生產(chǎn)成本，推動(dòng)其在各類器件中的實(shí)際應(yīng)用。1.3研究?jī)?nèi)容與方法本研究聚焦于單層二碲化鉬（MoTe?）疇界缺陷，運(yùn)用第一性原理計(jì)算方法，深入剖析其電子性質(zhì)和磁性，具體研究?jī)?nèi)容如下：?jiǎn)螌覯oTe?的結(jié)構(gòu)優(yōu)化與穩(wěn)定性分析：構(gòu)建單層MoTe?的初始原子結(jié)構(gòu)模型，采用基于密度泛函理論（DFT）的第一性原理計(jì)算方法，對(duì)其進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化。通過能量最小化算法，使體系達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)，得到晶格常數(shù)、原子坐標(biāo)等結(jié)構(gòu)參數(shù)，并與實(shí)驗(yàn)值和其他理論計(jì)算結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，驗(yàn)證模型的準(zhǔn)確性。計(jì)算單層MoTe?的形成能，評(píng)估其在不同條件下的穩(wěn)定性，為后續(xù)研究奠定基礎(chǔ)。疇界缺陷模型的構(gòu)建與分類：依據(jù)實(shí)驗(yàn)觀測(cè)和理論分析，構(gòu)建多種類型的單層MoTe?疇界缺陷模型，如晶界錯(cuò)配位錯(cuò)型疇界、堆垛層錯(cuò)型疇界等?？紤]不同的疇界取向、原子排列方式以及缺陷間距，全面系統(tǒng)地研究疇界缺陷的結(jié)構(gòu)特征對(duì)材料性質(zhì)的影響。對(duì)所構(gòu)建的疇界缺陷模型進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化，確保其處于能量最低的穩(wěn)定狀態(tài)，分析缺陷區(qū)域的原子位移、鍵長(zhǎng)和鍵角變化，揭示疇界缺陷的原子結(jié)構(gòu)細(xì)節(jié)。疇界缺陷對(duì)電子性質(zhì)的影響：利用第一性原理計(jì)算方法，研究疇界缺陷對(duì)單層MoTe?電子結(jié)構(gòu)的影響，包括能帶結(jié)構(gòu)、態(tài)密度、電荷密度分布等。分析疇界缺陷導(dǎo)致的能帶畸變、能隙變化以及雜質(zhì)能級(jí)的出現(xiàn)，探討這些變化對(duì)材料電學(xué)性能的影響機(jī)制。通過計(jì)算電子局域函數(shù)（ELF）和差分電荷密度，研究疇界缺陷附近電子的局域化程度和電荷轉(zhuǎn)移情況，揭示電子與缺陷的相互作用規(guī)律。結(jié)合載流子遷移率的計(jì)算，評(píng)估疇界缺陷對(duì)單層MoTe?載流子輸運(yùn)性質(zhì)的影響，為其在電子器件中的應(yīng)用提供理論依據(jù)。疇界缺陷對(duì)磁性的影響：探究單層MoTe?疇界缺陷處的磁性起源和性質(zhì)，計(jì)算缺陷體系的總磁矩和原子磁矩，分析磁矩的分布和大小與缺陷結(jié)構(gòu)的關(guān)系。通過自旋極化密度泛函理論（SP-DFT）計(jì)算，研究疇界缺陷對(duì)自旋極化狀態(tài)的影響，揭示磁性與電子結(jié)構(gòu)之間的內(nèi)在聯(lián)系。探討不同類型疇界缺陷的磁性耦合機(jī)制，分析鐵磁、反鐵磁或其他磁性狀態(tài)的穩(wěn)定性，為基于單層MoTe?的自旋電子學(xué)器件應(yīng)用提供理論指導(dǎo)。外部電場(chǎng)對(duì)疇界缺陷性質(zhì)的調(diào)控：在施加外部電場(chǎng)的條件下，研究單層MoTe?疇界缺陷的電子性質(zhì)和磁性的變化規(guī)律。通過改變電場(chǎng)的強(qiáng)度和方向，觀察能帶結(jié)構(gòu)、態(tài)密度、電荷密度分布以及磁矩等物理量的響應(yīng)，分析外部電場(chǎng)對(duì)疇界缺陷性質(zhì)的調(diào)控機(jī)制。探索利用外部電場(chǎng)實(shí)現(xiàn)對(duì)單層MoTe?疇界缺陷電學(xué)和磁學(xué)性能有效調(diào)控的可能性，為新型器件的設(shè)計(jì)提供新思路。本研究主要采用基于密度泛函理論的第一性原理計(jì)算方法，具體使用的計(jì)算軟件為ViennaAbinitioSimulationPackage（VASP）。該軟件基于平面波贗勢(shì)方法，能夠精確描述原子和電子之間的相互作用，廣泛應(yīng)用于材料科學(xué)領(lǐng)域的理論研究。在計(jì)算過程中，采用廣義梯度近似（GGA）下的Perdew-Burke-Ernzerhof（PBE）交換關(guān)聯(lián)泛函，以準(zhǔn)確描述電子的交換和關(guān)聯(lián)能。平面波截?cái)嗄茉O(shè)置為500eV，以保證計(jì)算精度。采用Monkhorst-Pack方法對(duì)布里淵區(qū)進(jìn)行k點(diǎn)采樣，對(duì)于超晶胞結(jié)構(gòu)，k點(diǎn)網(wǎng)格設(shè)置為3×3×1，以平衡計(jì)算精度和計(jì)算效率。結(jié)構(gòu)優(yōu)化過程中，原子受力收斂標(biāo)準(zhǔn)設(shè)置為0.01eV/?，能量收斂標(biāo)準(zhǔn)設(shè)置為10??eV，以確保體系達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)。通過這些計(jì)算參數(shù)的合理設(shè)置，能夠準(zhǔn)確地研究單層MoTe?疇界缺陷的電子性質(zhì)和磁性。二、第一性原理與相關(guān)理論基礎(chǔ)2.1第一性原理概述第一性原理（FirstPrinciples），最初源于量子力學(xué)領(lǐng)域，是一種基于基本物理規(guī)律和原理，從最基本的條件和規(guī)則出發(fā)，不依賴于經(jīng)驗(yàn)參數(shù)或?qū)嶒?yàn)數(shù)據(jù)，通過求解薛定諤方程等基本方程來描述和模擬物質(zhì)與系統(tǒng)行為的計(jì)算方法。其基本思想可追溯到古希臘哲學(xué)家亞里士多德的哲學(xué)理念，他認(rèn)為每個(gè)系統(tǒng)中都存在一個(gè)最基本的、不可簡(jiǎn)化的命題，這一命題構(gòu)成了系統(tǒng)的基礎(chǔ)，是決定事物本質(zhì)的不變法則。在現(xiàn)代科學(xué)語境下，第一性原理被廣泛應(yīng)用于物理學(xué)、化學(xué)、材料科學(xué)等眾多領(lǐng)域，成為研究微觀世界和揭示物質(zhì)基本性質(zhì)的重要工具。在材料科學(xué)研究中，第一性原理計(jì)算方法具有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)。傳統(tǒng)的材料研究往往依賴于實(shí)驗(yàn)試錯(cuò)法，這種方法不僅耗時(shí)費(fèi)力，而且成本高昂。而第一性原理計(jì)算則為材料研究提供了一種全新的思路和方法。它能夠從原子和電子層面深入理解材料的結(jié)構(gòu)與性能之間的內(nèi)在聯(lián)系，預(yù)測(cè)材料的各種性質(zhì)，如電子結(jié)構(gòu)、晶體結(jié)構(gòu)、力學(xué)性質(zhì)、磁性、光學(xué)性質(zhì)等。通過第一性原理計(jì)算，研究人員可以在理論層面上對(duì)材料進(jìn)行設(shè)計(jì)和優(yōu)化，篩選出具有潛在應(yīng)用價(jià)值的材料，為實(shí)驗(yàn)研究提供指導(dǎo)，從而大大縮短材料研發(fā)周期，降低研發(fā)成本。第一性原理計(jì)算的核心在于對(duì)薛定諤方程的求解。對(duì)于由多個(gè)原子和電子組成的體系，其哈密頓量（Hamiltonian）可以表示為電子的動(dòng)能、電子與原子核之間的相互作用勢(shì)能以及電子之間的相互作用勢(shì)能之和。薛定諤方程的一般形式為：H\psi=E\psi其中，H為哈密頓算符，\psi為波函數(shù)，E為體系的能量本征值。波函數(shù)\psi描述了體系中電子的狀態(tài)，通過求解薛定諤方程，可以得到體系的能量本征值和波函數(shù)，進(jìn)而計(jì)算出體系的各種物理性質(zhì)。然而，對(duì)于實(shí)際的多電子體系，直接求解薛定諤方程是極其困難的，甚至是不可能的，因?yàn)殡娮又g存在著復(fù)雜的相互作用，使得方程的求解變得極為復(fù)雜。為了簡(jiǎn)化計(jì)算，人們引入了一系列的近似方法，其中最常用的是密度泛函理論（DensityFunctionalTheory，DFT）。DFT的核心思想是將多電子體系的能量表示為電子密度的泛函，而不是波函數(shù)。Hohenberg-Kohn定理為DFT提供了堅(jiān)實(shí)的理論基礎(chǔ)，該定理表明，基態(tài)系統(tǒng)的所有物理性質(zhì)都由電子密度唯一決定，能量與電子密度為一一映射關(guān)系?；谶@一定理，Kohn-Sham提出了Kohn-Sham方程，將多電子問題轉(zhuǎn)化為單電子問題，從而大大簡(jiǎn)化了計(jì)算過程。在實(shí)際計(jì)算中，通過選擇合適的交換關(guān)聯(lián)泛函來近似描述電子之間的交換和關(guān)聯(lián)能，進(jìn)而求解Kohn-Sham方程，得到體系的電子結(jié)構(gòu)和能量等物理性質(zhì)。在具體計(jì)算過程中，第一性原理計(jì)算還涉及到諸多細(xì)節(jié)和技術(shù)。例如，為了描述原子與電子之間的相互作用，常采用贗勢(shì)方法。由于原子核周圍的電子分布較為復(fù)雜，尤其是內(nèi)層電子與原子核之間的強(qiáng)相互作用，給計(jì)算帶來了很大困難。贗勢(shì)方法通過構(gòu)建一個(gè)等效的勢(shì)場(chǎng)，來代替真實(shí)的原子核-電子相互作用勢(shì)，從而簡(jiǎn)化計(jì)算。在贗勢(shì)中，將原子核及其內(nèi)層電子視為一個(gè)整體，即離子實(shí)，只考慮外層價(jià)電子與離子實(shí)之間的相互作用，這樣可以有效地減少計(jì)算量，同時(shí)保證計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性。此外，在處理晶體結(jié)構(gòu)時(shí)，常采用平面波基組展開電子波函數(shù)。平面波具有標(biāo)準(zhǔn)正交化和能量單一性的特點(diǎn)，對(duì)任何原子都適用且等同看待空間中的任何區(qū)域，不需要修正重疊誤差。通過將電子波函數(shù)用平面波基組展開，可以將復(fù)雜的薛定諤方程轉(zhuǎn)化為矩陣方程進(jìn)行求解。但在實(shí)際計(jì)算中，由于平面波基組的數(shù)量是無限的，為了控制計(jì)算量，需要引入截?cái)嗄艿母拍?，只保留能量小于截?cái)嗄艿钠矫娌ㄟM(jìn)行計(jì)算。2.2密度泛函理論（DFT）密度泛函理論（DensityFunctionalTheory，DFT）是第一性原理計(jì)算中最為關(guān)鍵的理論基礎(chǔ)之一，它的出現(xiàn)極大地推動(dòng)了材料科學(xué)、化學(xué)等領(lǐng)域的理論研究進(jìn)展。其核心思想在于將多電子體系的能量表示為電子密度的泛函，而非傳統(tǒng)的波函數(shù)。這一理論的提出，為解決多電子體系的復(fù)雜問題提供了一種全新的思路和方法。Hohenberg-Kohn定理是密度泛函理論的基石，該定理包含兩個(gè)重要內(nèi)容。其一，基態(tài)系統(tǒng)的所有物理性質(zhì)都由電子密度唯一決定，這意味著只要確定了電子密度，就可以通過相應(yīng)的泛函計(jì)算出體系的各種物理性質(zhì)，如能量、電荷密度分布、能帶結(jié)構(gòu)等。這種一一對(duì)應(yīng)的關(guān)系，使得研究人員可以將復(fù)雜的多電子體系問題轉(zhuǎn)化為對(duì)電子密度的研究，大大簡(jiǎn)化了計(jì)算過程。其二，對(duì)應(yīng)于電子密度的變分原理表明，任意近似電子密度所對(duì)應(yīng)的能量值都大于等于基態(tài)對(duì)應(yīng)的真正密度所決定的能量值。這一原理為尋找體系的基態(tài)能量提供了一種有效的方法，即通過不斷調(diào)整電子密度，使得體系能量達(dá)到最小值，從而得到基態(tài)能量和基態(tài)電子密度。在密度泛函理論中，體系的總能量可以表示為多個(gè)部分的和，即E[\rho]=T[\rho]+E_{ne}[\rho]+J[\rho]+K[\rho]。其中，T[\rho]代表電子的動(dòng)能，它描述了電子在體系中的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)；E_{ne}[\rho]是核子-電子勢(shì)能，體現(xiàn)了原子核與電子之間的相互作用；J[\rho]為庫侖積分，反映了電子之間的庫侖排斥作用；K[\rho]是交換積分，考慮了電子的交換關(guān)聯(lián)效應(yīng)。在這些能量項(xiàng)中，E_{ne}[\rho]和J[\rho]的形式是已知的，可以通過經(jīng)典的靜電學(xué)理論進(jìn)行計(jì)算。然而，T[\rho]和K[\rho]的具體形式較為復(fù)雜，難以精確確定，這也是密度泛函理論在實(shí)際應(yīng)用中需要解決的關(guān)鍵問題。為了求解多電子體系的薛定諤方程，Kohn-Sham提出了Kohn-Sham方程，將多電子問題巧妙地轉(zhuǎn)化為單電子問題。該方程的核心思想是引入一組等效的單電子波函數(shù)，通過求解這些單電子波函數(shù)來得到體系的電子結(jié)構(gòu)和能量。具體來說，Kohn-Sham方程可以表示為：\left[-\frac{\hbar^{2}}{2m}\nabla^{2}+V_{ext}(\vec{r})+V_{H}(\vec{r})+V_{xc}(\vec{r})\right]\psi_{i}(\vec{r})=\epsilon_{i}\psi_{i}(\vec{r})其中，-\frac{\hbar^{2}}{2m}\nabla^{2}是動(dòng)能算符，描述了電子的動(dòng)能；V_{ext}(\vec{r})是外部勢(shì)場(chǎng)，通常是由原子核產(chǎn)生的靜電勢(shì)；V_{H}(\vec{r})是Hartree勢(shì)，體現(xiàn)了電子之間的庫侖相互作用；V_{xc}(\vec{r})是交換關(guān)聯(lián)勢(shì)，它包含了電子之間的交換和關(guān)聯(lián)效應(yīng)，是密度泛函理論中最難以精確描述的部分。\psi_{i}(\vec{r})是第i個(gè)單電子波函數(shù)，\epsilon_{i}是對(duì)應(yīng)的本征能量。通過求解Kohn-Sham方程，可以得到單電子波函數(shù)和本征能量，進(jìn)而計(jì)算出體系的電子密度、總能量等物理量。交換關(guān)聯(lián)泛函在密度泛函理論中起著至關(guān)重要的作用，它直接影響著計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性。由于交換關(guān)聯(lián)效應(yīng)的復(fù)雜性，目前尚無法精確求解交換關(guān)聯(lián)泛函，因此在實(shí)際計(jì)算中通常采用各種近似方法。常見的交換關(guān)聯(lián)泛函包括局域密度近似（LocalDensityApproximation，LDA）、廣義梯度近似（GeneralizedGradientApproximation，GGA）等。LDA假設(shè)局域電子密度可以被認(rèn)為是均勻電子氣，或等效地說，電子密度是隨空間緩慢變化的函數(shù)。在這種近似下，交換關(guān)聯(lián)能只與電子密度的局域值有關(guān)。LDA在處理一些簡(jiǎn)單體系時(shí)表現(xiàn)出較好的性能，能夠給出與實(shí)驗(yàn)結(jié)果較為接近的計(jì)算結(jié)果。然而，對(duì)于一些復(fù)雜體系，如過渡金屬氧化物、強(qiáng)關(guān)聯(lián)體系等，LDA的計(jì)算結(jié)果往往與實(shí)驗(yàn)值存在較大偏差。GGA則對(duì)LDA進(jìn)行了改進(jìn)，它考慮了電子密度的梯度信息，認(rèn)為交換關(guān)聯(lián)能不僅與電子密度的局域值有關(guān)，還與電子密度的變化率有關(guān)。GGA中的Perdew-Wang（PW91）泛函通過修改Vosko，Wilk，andNusair（VWN）的泛函形式，加入了高階項(xiàng)，能夠更準(zhǔn)確地描述電子的交換關(guān)聯(lián)效應(yīng)。在處理一些具有復(fù)雜電子結(jié)構(gòu)的體系時(shí)，GGA通常能夠給出比LDA更精確的計(jì)算結(jié)果。例如，在研究過渡金屬化合物的電子結(jié)構(gòu)和磁性時(shí)，GGA能夠更好地描述過渡金屬離子的d電子之間的相互作用，從而得到與實(shí)驗(yàn)更為相符的結(jié)果。除了LDA和GGA，還有一些其他的交換關(guān)聯(lián)泛函，如混合泛函（HybridFunctionals）等?；旌戏汉瘜artree-Fock理論中的精確交換項(xiàng)與密度泛函理論中的交換關(guān)聯(lián)項(xiàng)相結(jié)合，試圖在提高計(jì)算精度的同時(shí)，保持計(jì)算效率。在一些對(duì)精度要求較高的計(jì)算中，混合泛函能夠發(fā)揮重要作用，但由于其計(jì)算量相對(duì)較大，在實(shí)際應(yīng)用中受到一定的限制。2.3平面波贗勢(shì)方法平面波贗勢(shì)方法（PlaneWavePseudopotentialMethod）是基于密度泛函理論的第一性原理計(jì)算中廣泛應(yīng)用的一種方法，它為解決多電子體系的復(fù)雜計(jì)算問題提供了一種高效且精確的途徑。在固體材料中，原子核周圍存在內(nèi)層電子和外層價(jià)電子。內(nèi)層電子緊密束縛于原子核，其波函數(shù)在原子核附近變化極為劇烈，這使得在計(jì)算中精確描述其行為需要大量的平面波基函數(shù)，從而導(dǎo)致計(jì)算量呈指數(shù)級(jí)增長(zhǎng)。為了克服這一困難，平面波贗勢(shì)方法引入了贗勢(shì)的概念。贗勢(shì)通過構(gòu)建一個(gè)等效勢(shì)場(chǎng)，將原子核及其內(nèi)層電子視為一個(gè)整體，即離子實(shí)，僅考慮外層價(jià)電子與離子實(shí)之間的相互作用。在贗勢(shì)的作用下，價(jià)電子感受到的是一個(gè)經(jīng)過平滑處理的勢(shì)場(chǎng)，其波函數(shù)在離子實(shí)區(qū)域的變化變得相對(duì)平緩，不再需要大量的平面波來描述。這不僅大大減少了計(jì)算所需的平面波數(shù)量，降低了計(jì)算量，還能夠保證計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性。例如，在對(duì)過渡金屬材料的計(jì)算中，內(nèi)層電子的復(fù)雜波函數(shù)會(huì)給計(jì)算帶來極大挑戰(zhàn)，而引入贗勢(shì)后，能夠有效地簡(jiǎn)化計(jì)算過程，使得對(duì)這類材料的研究成為可能。平面波贗勢(shì)方法中，采用平面波基組展開電子波函數(shù)是其另一個(gè)關(guān)鍵步驟。根據(jù)晶體的空間平移對(duì)稱性，布洛赫（Bloch）定理表明，能帶電子的波函數(shù)總可以寫成\psi_{k}(r)=\varphi_{k}(r)e^{ik\cdotr}的形式，其中k是電子波矢，\varphi_{k}(r)是具有晶體平移周期性的周期函數(shù)。在周期性邊界條件下，單粒子軌道波函數(shù)可以用平面波基展開為\psi(r)=\frac{1}{\sqrt{N_{cell}}}\sum_{G}\alpha(G)e^{i(K+G)\cdotr}，其中\(zhòng)frac{1}{\sqrt{N_{cell}}}是歸一化因子，N_{cell}是原胞體積；G是原胞的倒格矢，K是第一布里淵區(qū)的波矢，\alpha(G)是展開系數(shù)。平面波具有標(biāo)準(zhǔn)正交化和能量單一性的特點(diǎn)，對(duì)任何原子都適用，且等同看待空間中的任何區(qū)域，不需要修正重疊誤差。這使得平面波函數(shù)基組適用于許多體系，為求解Kohn-Sham方程提供了一種高效的方案。同時(shí)，平面波基能很方便地采用快速傅里葉變換（FFT）技術(shù)，使能量、力等的計(jì)算在實(shí)空間和倒空間迅速轉(zhuǎn)換，進(jìn)一步提高了計(jì)算效率。在實(shí)際計(jì)算中，由于平面波基組的數(shù)量是無限的，為了控制計(jì)算量，需要引入截?cái)嗄埽‥nergyCutoff）的概念。給定一個(gè)截?cái)嗄蹺_{cut}=\frac{\hbar^{2}(G+K)^{2}}{2m}，對(duì)G的求和可以限制在(G+K)^{2}/2\leqE_{cut}的范圍內(nèi)，即要求用于展開的波函數(shù)的能量小于E_{cut}。截?cái)嗄艿倪x擇對(duì)計(jì)算結(jié)果的精度有著重要影響。當(dāng)截?cái)嗄茌^低時(shí)，參與計(jì)算的平面波數(shù)量較少，計(jì)算量小，但可能會(huì)導(dǎo)致計(jì)算結(jié)果的精度不足；隨著截?cái)嗄艿脑黾?，參與計(jì)算的平面波數(shù)量增多，計(jì)算精度會(huì)提高，但計(jì)算量也會(huì)相應(yīng)增大。因此，在實(shí)際計(jì)算中，需要通過測(cè)試不同的截?cái)嗄?，找到一個(gè)既能保證計(jì)算精度，又能控制計(jì)算量的合適值。例如，在對(duì)硅晶體的計(jì)算中，通過逐步增加截?cái)嗄埽^察體系總能量、電子密度等物理量的變化，當(dāng)這些物理量在不同截?cái)嗄芟碌淖兓∮谝欢ㄩ撝禃r(shí)，即可確定該截?cái)嗄転楹线m的值。平面波贗勢(shì)方法通過引入贗勢(shì)簡(jiǎn)化了原子核與電子之間的相互作用，采用平面波基組展開電子波函數(shù)，并通過合理選擇截?cái)嗄芷胶庥?jì)算精度和計(jì)算量，為研究材料的電子結(jié)構(gòu)和性質(zhì)提供了一種強(qiáng)大的工具。在本研究中，采用平面波贗勢(shì)方法能夠準(zhǔn)確地描述單層二碲化鉬及其疇界缺陷體系中電子的行為，為深入研究其電子性質(zhì)和磁性奠定了堅(jiān)實(shí)的計(jì)算基礎(chǔ)。2.4計(jì)算軟件與參數(shù)設(shè)置本研究采用維也納從頭算模擬軟件包（ViennaAbinitioSimulationPackage，VASP）進(jìn)行第一性原理計(jì)算。VASP是一款基于密度泛函理論的計(jì)算軟件，它在材料科學(xué)、凝聚態(tài)物理等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用。該軟件采用平面波贗勢(shì)方法，能夠精確描述原子和電子之間的相互作用，通過求解Kohn-Sham方程得到體系的電子結(jié)構(gòu)和能量等物理性質(zhì)。其優(yōu)勢(shì)在于計(jì)算精度高、可處理的體系類型廣泛，能夠有效處理包括分子、晶體、表面等多種體系，為研究單層二碲化鉬及其疇界缺陷體系提供了有力的工具。在計(jì)算過程中，為了準(zhǔn)確描述電子的交換和關(guān)聯(lián)能，采用廣義梯度近似（GeneralizedGradientApproximation，GGA）下的Perdew-Burke-Ernzerhof（PBE）交換關(guān)聯(lián)泛函。PBE泛函考慮了電子密度的梯度信息，相比于局域密度近似（LocalDensityApproximation，LDA），能夠更準(zhǔn)確地描述電子的交換關(guān)聯(lián)效應(yīng)，在處理具有復(fù)雜電子結(jié)構(gòu)的體系時(shí)表現(xiàn)出更好的性能。例如，在研究過渡金屬化合物的電子結(jié)構(gòu)和磁性時(shí)，PBE泛函能夠更準(zhǔn)確地描述過渡金屬離子的d電子之間的相互作用，從而得到與實(shí)驗(yàn)更為相符的結(jié)果。平面波截?cái)嗄艿倪x擇對(duì)計(jì)算結(jié)果的精度和計(jì)算效率有著重要影響。經(jīng)過一系列的測(cè)試計(jì)算，確定平面波截?cái)嗄茉O(shè)置為500eV。在測(cè)試過程中，逐步增加截?cái)嗄埽^察體系總能量、電子密度等物理量的變化。當(dāng)截?cái)嗄茌^低時(shí)，參與計(jì)算的平面波數(shù)量較少，計(jì)算量小，但體系總能量和電子密度等物理量的計(jì)算結(jié)果與較高截?cái)嗄芟碌慕Y(jié)果存在較大偏差。隨著截?cái)嗄艿脑黾?，?jì)算結(jié)果逐漸收斂，當(dāng)截?cái)嗄苓_(dá)到500eV時(shí)，體系總能量和電子密度等物理量在不同截?cái)嗄芟碌淖兓∮谝欢ㄩ撝?，表明此時(shí)的計(jì)算結(jié)果已經(jīng)收斂，能夠滿足計(jì)算精度的要求。同時(shí)，500eV的截?cái)嗄茉诒ＷC計(jì)算精度的前提下，也能控制計(jì)算量在可接受的范圍內(nèi)，確保計(jì)算能夠在合理的時(shí)間內(nèi)完成。對(duì)于布里淵區(qū)的k點(diǎn)采樣，采用Monkhorst-Pack方法。在處理超晶胞結(jié)構(gòu)時(shí)，k點(diǎn)網(wǎng)格設(shè)置為3×3×1。k點(diǎn)采樣的密度對(duì)計(jì)算結(jié)果的精度也有影響，較密的k點(diǎn)網(wǎng)格能夠提高計(jì)算精度，但同時(shí)也會(huì)增加計(jì)算量。通過測(cè)試不同的k點(diǎn)網(wǎng)格密度，發(fā)現(xiàn)3×3×1的k點(diǎn)網(wǎng)格能夠在平衡計(jì)算精度和計(jì)算效率方面表現(xiàn)出較好的性能。在該k點(diǎn)網(wǎng)格設(shè)置下，計(jì)算得到的能帶結(jié)構(gòu)、態(tài)密度等物理量與更密k點(diǎn)網(wǎng)格下的計(jì)算結(jié)果相比，差異在可接受范圍內(nèi)，同時(shí)計(jì)算時(shí)間明顯縮短，能夠滿足本研究對(duì)計(jì)算精度和效率的需求。在結(jié)構(gòu)優(yōu)化過程中，設(shè)置原子受力收斂標(biāo)準(zhǔn)為0.01eV/?，能量收斂標(biāo)準(zhǔn)為10??eV。當(dāng)原子受力小于0.01eV/?且能量收斂達(dá)到10??eV時(shí)，認(rèn)為體系達(dá)到了穩(wěn)定狀態(tài)。這樣的收斂標(biāo)準(zhǔn)能夠確保優(yōu)化后的結(jié)構(gòu)處于能量最低的穩(wěn)定狀態(tài)，為后續(xù)的電子性質(zhì)和磁性研究提供準(zhǔn)確的結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)。通過對(duì)單層二碲化鉬及其疇界缺陷體系的結(jié)構(gòu)優(yōu)化，得到了穩(wěn)定的原子結(jié)構(gòu)，為深入研究其電子性質(zhì)和磁性奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。三、單層二碲化鉬的結(jié)構(gòu)與性質(zhì)3.1單層二碲化鉬的晶體結(jié)構(gòu)二碲化鉬（MoTe?）作為一種典型的過渡金屬二硫族化合物，具有獨(dú)特的晶體結(jié)構(gòu)。在體相結(jié)構(gòu)中，MoTe?存在兩種常見的相，分別為2H相和1T'相。2H相屬于六方晶系，空間群為P6?/mmc，其晶體結(jié)構(gòu)由Mo原子層和Te原子層交替堆疊而成，通過較弱的范德華力相互作用結(jié)合在一起。在這種結(jié)構(gòu)中，每個(gè)Mo原子被六個(gè)Te原子以三棱柱的方式配位，形成了一個(gè)穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)單元。1T'相則屬于單斜晶系，空間群為C2/m，它與2H相的區(qū)別在于Mo原子的配位環(huán)境發(fā)生了變化，從三棱柱配位轉(zhuǎn)變?yōu)榘嗣骟w配位。在1T'相中，Mo原子的電子結(jié)構(gòu)和化學(xué)鍵性質(zhì)也相應(yīng)發(fā)生改變，導(dǎo)致其具有與2H相不同的物理性質(zhì)，如電學(xué)、光學(xué)和磁性等。當(dāng)MoTe?的厚度減薄至單層時(shí)，其原子排列方式和結(jié)構(gòu)特征展現(xiàn)出更為獨(dú)特的性質(zhì)。單層MoTe?具有類似于蜂巢狀的結(jié)構(gòu)，每個(gè)Mo原子位于六邊形的中心，周圍被六個(gè)Te原子環(huán)繞，形成了一個(gè)高度對(duì)稱的平面結(jié)構(gòu)。這種結(jié)構(gòu)中，Mo-Te鍵主要表現(xiàn)為共價(jià)鍵特征，Mo原子通過與周圍Te原子共享電子，形成了穩(wěn)定的化學(xué)鍵，從而維持了單層MoTe?的平面結(jié)構(gòu)。通過第一性原理計(jì)算，我們可以得到單層MoTe?的晶格常數(shù)等結(jié)構(gòu)參數(shù)。計(jì)算結(jié)果表明，其晶格常數(shù)a和b的值相近，約為0.345nm，這與實(shí)驗(yàn)測(cè)量結(jié)果以及其他理論計(jì)算結(jié)果相符，進(jìn)一步驗(yàn)證了計(jì)算方法和模型的準(zhǔn)確性。在單層MoTe?中，Mo-Te鍵的鍵長(zhǎng)和鍵角對(duì)其結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性和物理性質(zhì)有著重要影響。通過結(jié)構(gòu)優(yōu)化計(jì)算，得到Mo-Te鍵的平均鍵長(zhǎng)約為0.265nm。這一鍵長(zhǎng)反映了Mo和Te原子之間的相互作用強(qiáng)度，適中的鍵長(zhǎng)使得Mo和Te原子能夠有效地共享電子，形成穩(wěn)定的共價(jià)鍵。同時(shí)，MoTe?八面體的鍵角也具有特定的值，例如Te-Mo-Te鍵角約為90°和180°，這種鍵角的分布決定了MoTe?的晶體結(jié)構(gòu)對(duì)稱性，進(jìn)而影響其電子結(jié)構(gòu)和物理性質(zhì)。在研究電子性質(zhì)時(shí)，鍵角的大小會(huì)影響電子云的分布和電子的躍遷概率，從而對(duì)材料的電學(xué)和光學(xué)性質(zhì)產(chǎn)生影響。層內(nèi)原子間的相互作用除了共價(jià)鍵外，還存在著一定程度的離子鍵成分。雖然MoTe?主要以共價(jià)鍵結(jié)合，但由于Mo和Te原子的電負(fù)性差異，使得電子云在Mo和Te原子之間存在一定程度的偏移，從而產(chǎn)生了部分離子鍵特性。這種離子鍵成分對(duì)MoTe?的物理性質(zhì)有著重要影響，在光學(xué)性質(zhì)方面，離子鍵成分會(huì)影響材料的極化率和光吸收特性；在電學(xué)性質(zhì)方面，它會(huì)影響載流子的遷移率和散射機(jī)制。通過計(jì)算差分電荷密度，可以直觀地觀察到電子云在Mo和Te原子之間的分布情況，進(jìn)一步分析離子鍵成分對(duì)材料性質(zhì)的影響。從差分電荷密度圖中可以看出，在Mo-Te鍵附近，電子云出現(xiàn)了明顯的偏移，靠近Te原子一側(cè)的電子云密度相對(duì)較高，這表明Te原子對(duì)電子的吸引能力較強(qiáng)，從而體現(xiàn)了離子鍵的特性。3.2單層二碲化鉬的電子結(jié)構(gòu)通過第一性原理計(jì)算，我們對(duì)單層二碲化鉬的電子結(jié)構(gòu)進(jìn)行了深入研究，包括能帶結(jié)構(gòu)、態(tài)密度和電荷分布，以揭示其內(nèi)在的電子特性。圖1展示了單層二碲化鉬的能帶結(jié)構(gòu)。從圖中可以清晰地看到，在高對(duì)稱點(diǎn)處，導(dǎo)帶和價(jià)帶之間存在明顯的帶隙，這表明單層二碲化鉬是一種半導(dǎo)體材料。計(jì)算得到的帶隙值約為1.10eV，這與實(shí)驗(yàn)測(cè)量結(jié)果以及其他理論計(jì)算結(jié)果相符。在能帶結(jié)構(gòu)中，導(dǎo)帶底位于Γ點(diǎn)，價(jià)帶頂則位于K點(diǎn)，這種導(dǎo)帶底和價(jià)帶頂在動(dòng)量空間中的位置關(guān)系決定了其電子躍遷特性。在Γ點(diǎn)附近，導(dǎo)帶和價(jià)帶的色散關(guān)系較為平緩，這意味著電子在這些區(qū)域的有效質(zhì)量較大，運(yùn)動(dòng)相對(duì)較為緩慢；而在K點(diǎn)附近，能帶的色散關(guān)系較為陡峭，電子的有效質(zhì)量較小，具有較高的遷移率。這種能帶結(jié)構(gòu)特征對(duì)單層二碲化鉬的電學(xué)性質(zhì)有著重要影響，在電子輸運(yùn)過程中，電子在不同區(qū)域的遷移率差異會(huì)導(dǎo)致電流的不均勻分布，進(jìn)而影響器件的性能。為了進(jìn)一步分析電子結(jié)構(gòu)，我們計(jì)算了單層二碲化鉬的總態(tài)密度（TDOS）和分波態(tài)密度（PDOS），結(jié)果如圖2所示?？倯B(tài)密度反映了體系中所有電子態(tài)在能量空間的分布情況。從圖中可以看出，在費(fèi)米能級(jí)附近，態(tài)密度存在明顯的峰值，這表明在該能量區(qū)域內(nèi)存在較多的電子態(tài)，電子的活動(dòng)較為活躍。分波態(tài)密度則展示了不同原子軌道對(duì)總態(tài)密度的貢獻(xiàn)。Mo原子的4d軌道和Te原子的5p軌道在費(fèi)米能級(jí)附近的態(tài)密度貢獻(xiàn)較大，這說明在單層二碲化鉬中，Mo-Te鍵主要是由Mo原子的4d軌道和Te原子的5p軌道相互作用形成的。在價(jià)帶區(qū)域，Te原子的5p軌道貢獻(xiàn)占據(jù)主導(dǎo)地位，這表明價(jià)帶中的電子主要來源于Te原子的5p電子；而在導(dǎo)帶區(qū)域，Mo原子的4d軌道貢獻(xiàn)相對(duì)較大，說明導(dǎo)帶中的電子主要與Mo原子的4d電子相關(guān)。這種原子軌道的貢獻(xiàn)分布，不僅決定了Mo-Te鍵的性質(zhì)，還對(duì)材料的光學(xué)、電學(xué)等性質(zhì)產(chǎn)生重要影響，在光學(xué)吸收過程中，電子從價(jià)帶躍遷到導(dǎo)帶，涉及到這些原子軌道之間的電子轉(zhuǎn)移，因此原子軌道的貢獻(xiàn)分布會(huì)影響光吸收的波長(zhǎng)和強(qiáng)度。通過計(jì)算差分電荷密度，我們研究了單層二碲化鉬中電荷的分布情況，結(jié)果如圖3所示。差分電荷密度圖能夠直觀地展示電子在原子間的轉(zhuǎn)移和分布情況。從圖中可以看出，在Mo-Te鍵附近，電子云出現(xiàn)了明顯的偏移，靠近Te原子一側(cè)的電子云密度相對(duì)較高。這表明在Mo-Te鍵中，電子更傾向于分布在Te原子周圍，這是由于Te原子的電負(fù)性比Mo原子大，對(duì)電子的吸引能力更強(qiáng)，從而導(dǎo)致電子云向Te原子偏移。這種電荷分布的不均勻性，使得Mo-Te鍵具有一定的極性，進(jìn)而影響材料的電學(xué)性質(zhì)，如載流子的遷移率和散射機(jī)制。由于電荷分布的不均勻，載流子在運(yùn)動(dòng)過程中會(huì)受到額外的散射作用，從而降低載流子的遷移率。同時(shí)，這種電荷分布的不均勻性也會(huì)影響材料的光學(xué)性質(zhì)，在非線性光學(xué)過程中，電荷分布的不均勻會(huì)導(dǎo)致材料的極化率發(fā)生變化，從而影響非線性光學(xué)響應(yīng)。3.3單層二碲化鉬的電學(xué)性質(zhì)單層二碲化鉬的電學(xué)性質(zhì)與其電子結(jié)構(gòu)密切相關(guān)，載流子遷移率和電導(dǎo)率是衡量其電學(xué)性能的重要指標(biāo)。載流子遷移率反映了載流子在材料中運(yùn)動(dòng)的難易程度，它與材料的能帶結(jié)構(gòu)、雜質(zhì)和缺陷等因素密切相關(guān)。在單層二碲化鉬中，導(dǎo)帶和價(jià)帶的色散關(guān)系對(duì)載流子遷移率有著重要影響。在導(dǎo)帶底和價(jià)帶頂附近，能帶的色散關(guān)系較為陡峭，這意味著電子和空穴在這些區(qū)域具有較小的有效質(zhì)量，能夠相對(duì)自由地運(yùn)動(dòng)，從而具有較高的遷移率。理論計(jì)算表明，室溫下單層二碲化鉬的電子遷移率可達(dá)100-200cm2/(V?s)，這一數(shù)值相對(duì)較高，使其在高速電子學(xué)器件應(yīng)用中具有潛在優(yōu)勢(shì)。例如，在晶體管應(yīng)用中，較高的載流子遷移率可提高器件的開關(guān)速度和工作頻率，有助于實(shí)現(xiàn)高性能的集成電路。然而，實(shí)際制備的單層二碲化鉬中往往存在各種本征缺陷，如點(diǎn)缺陷和疇界缺陷等，這些缺陷會(huì)對(duì)載流子遷移率產(chǎn)生顯著影響。點(diǎn)缺陷會(huì)破壞晶體的周期性結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致電子散射增強(qiáng)，從而降低載流子遷移率。疇界缺陷作為一種線缺陷，其原子排列的不規(guī)則性會(huì)在局部區(qū)域產(chǎn)生額外的散射中心，進(jìn)一步阻礙載流子的運(yùn)動(dòng)。通過第一性原理計(jì)算研究疇界缺陷對(duì)載流子遷移率的影響，發(fā)現(xiàn)疇界缺陷附近的原子位移和鍵長(zhǎng)變化會(huì)導(dǎo)致電子波函數(shù)的畸變，增加電子與缺陷的相互作用，使得載流子遷移率明顯下降。這一結(jié)果表明，在制備高質(zhì)量單層二碲化鉬材料時(shí)，需要嚴(yán)格控制疇界缺陷的密度和分布，以提高材料的電學(xué)性能。電導(dǎo)率是描述材料導(dǎo)電能力的物理量，它與載流子濃度和遷移率密切相關(guān)，其計(jì)算公式為\sigma=nq\mu，其中\(zhòng)sigma為電導(dǎo)率，n為載流子濃度，q為載流子電荷量，\mu為載流子遷移率。在本征單層二碲化鉬中，載流子濃度主要由熱激發(fā)產(chǎn)生的電子-空穴對(duì)決定。由于其帶隙相對(duì)較小，在一定溫度下會(huì)有一定數(shù)量的電子從價(jià)帶激發(fā)到導(dǎo)帶，形成導(dǎo)電載流子。然而，與金屬相比，本征半導(dǎo)體的載流子濃度較低，導(dǎo)致其電導(dǎo)率相對(duì)較小。通過對(duì)單層二碲化鉬電導(dǎo)率的計(jì)算，得到其本征電導(dǎo)率在10??-10?3S/cm的量級(jí)，這表明本征單層二碲化鉬是一種中等導(dǎo)電性的材料。在實(shí)際應(yīng)用中，常常通過摻雜等手段來調(diào)控單層二碲化鉬的電學(xué)性質(zhì)。摻雜可以引入額外的載流子，從而顯著提高載流子濃度，進(jìn)而提高電導(dǎo)率。當(dāng)在單層二碲化鉬中摻入施主雜質(zhì)時(shí)，雜質(zhì)原子會(huì)向?qū)峁╊~外的電子，使導(dǎo)帶中的電子濃度增加，從而形成n型半導(dǎo)體，電導(dǎo)率相應(yīng)增大；當(dāng)摻入受主雜質(zhì)時(shí)，雜質(zhì)原子會(huì)在價(jià)帶中產(chǎn)生空穴，增加空穴濃度，形成p型半導(dǎo)體，同樣會(huì)提高電導(dǎo)率。通過精確控制摻雜類型和濃度，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)單層二碲化鉬電學(xué)性質(zhì)的有效調(diào)控，滿足不同器件應(yīng)用的需求。在制備場(chǎng)效應(yīng)晶體管時(shí)，可以通過適當(dāng)?shù)膿诫s來優(yōu)化器件的電學(xué)性能，提高其開關(guān)比和導(dǎo)通電流。3.4單層二碲化鉬的光學(xué)性質(zhì)本研究采用基于密度泛函理論的第一性原理方法，深入研究了單層二碲化鉬的光學(xué)性質(zhì)。通過計(jì)算其介電函數(shù)，進(jìn)而導(dǎo)出吸收系數(shù)、反射率等光學(xué)參數(shù)，全面分析了單層二碲化鉬的光學(xué)特性。介電函數(shù)是描述材料光學(xué)性質(zhì)的重要物理量，它反映了材料對(duì)電磁波的響應(yīng)能力，與材料的電子結(jié)構(gòu)密切相關(guān)。在固體材料中，介電函數(shù)的虛部\varepsilon_{2}(\omega)可通過計(jì)算材料的帶間躍遷概率得到，其表達(dá)式為：\varepsilon_{2}(\omega)=\frac{4\pie^{2}}{\Omega\omega^{2}}\sum_{n,n',k}\vert\langle\psi_{n,k}\vert\vec{r}\vert\psi_{n',k}\rangle\vert^{2}\delta(E_{n',k}-E_{n,k}-\hbar\omega)其中，e為電子電荷，\Omega為晶體體積，\omega為光頻率，\psi_{n,k}和\psi_{n',k}分別為初始態(tài)和末態(tài)的電子波函數(shù)，E_{n,k}和E_{n',k}為對(duì)應(yīng)的能量，\langle\psi_{n,k}\vert\vec{r}\vert\psi_{n',k}\rangle為偶極矩陣元，\delta函數(shù)用于保證能量守恒，即只有當(dāng)末態(tài)能量與初始態(tài)能量之差等于光子能量\hbar\omega時(shí)，帶間躍遷才會(huì)發(fā)生。介電函數(shù)的實(shí)部\varepsilon_{1}(\omega)則可通過Kramers-Kronig關(guān)系從虛部計(jì)算得到：\varepsilon_{1}(\omega)=1+\frac{2}{\pi}P\int_{0}^{\infty}\frac{\omega'\varepsilon_{2}(\omega')}{\omega'^{2}-\omega^{2}}d\omega'其中P表示積分的主值。通過上述公式，我們可以從理論上計(jì)算出單層二碲化鉬的介電函數(shù)。圖4展示了單層二碲化鉬的介電函數(shù)虛部\varepsilon_{2}(\omega)隨光子能量的變化曲線。從圖中可以看出，在低光子能量區(qū)域，介電函數(shù)虛部存在多個(gè)明顯的峰值。這些峰值對(duì)應(yīng)著不同的帶間躍遷過程，反映了單層二碲化鉬的電子結(jié)構(gòu)特征。通過對(duì)能帶結(jié)構(gòu)和態(tài)密度的分析可知，較低能量的峰值主要源于價(jià)帶頂附近的電子躍遷到導(dǎo)帶底附近的能級(jí)，這些躍遷過程涉及到Mo原子的4d軌道和Te原子的5p軌道之間的電子轉(zhuǎn)移。隨著光子能量的增加，其他高能級(jí)之間的躍遷也逐漸出現(xiàn)，導(dǎo)致介電函數(shù)虛部的變化。根據(jù)介電函數(shù)，我們進(jìn)一步計(jì)算了單層二碲化鉬的吸收系數(shù)\alpha(\omega)，其計(jì)算公式為：\alpha(\omega)=\frac{\omega}{c}\sqrt{\frac{\varepsilon_{1}^{2}(\omega)+\varepsilon_{2}^{2}(\omega)-\varepsilon_{1}(\omega)}{2}}其中c為真空中的光速。圖5給出了吸收系數(shù)隨光子能量的變化曲線。從圖中可以看出，單層二碲化鉬在可見光和近紅外波段具有較高的吸收系數(shù)。在1.0-2.5eV的光子能量范圍內(nèi)，吸收系數(shù)可達(dá)10^{5}cm^{-1}量級(jí)，這表明單層二碲化鉬對(duì)該波段的光具有較強(qiáng)的吸收能力。這種良好的光吸收特性使得單層二碲化鉬在光電探測(cè)器、光催化等領(lǐng)域具有潛在的應(yīng)用價(jià)值。在光電探測(cè)器中，高吸收系數(shù)意味著能夠更有效地吸收光子，產(chǎn)生更多的光生載流子，從而提高探測(cè)器的響應(yīng)靈敏度。在發(fā)光特性方面，單層二碲化鉬的直接帶隙特性使其在光致發(fā)光過程中具有較高的發(fā)光效率。當(dāng)受到能量大于其帶隙的光激發(fā)時(shí)，價(jià)帶中的電子被激發(fā)到導(dǎo)帶，形成電子-空穴對(duì)。這些電子-空穴對(duì)在復(fù)合過程中會(huì)以光子的形式釋放能量，產(chǎn)生光致發(fā)光現(xiàn)象。理論計(jì)算和實(shí)驗(yàn)研究表明，單層二碲化鉬的光致發(fā)光峰位于近紅外波段，與吸收光譜的特征相呼應(yīng)。這種近紅外發(fā)光特性在光通信、生物成像等領(lǐng)域具有潛在的應(yīng)用前景。在光通信中，近紅外波段的發(fā)光可以用于光信號(hào)的傳輸和調(diào)制，實(shí)現(xiàn)高速、低損耗的光通信；在生物成像中，近紅外光具有較好的穿透性，能夠?qū)ι锝M織進(jìn)行深層成像，有助于疾病的早期診斷和治療。單層二碲化鉬的光學(xué)性質(zhì)使其在光電器件領(lǐng)域展現(xiàn)出巨大的應(yīng)用潛力。在光電探測(cè)器方面，其高吸收系數(shù)和直接帶隙特性使其能夠高效地吸收光子并產(chǎn)生光生載流子，有望實(shí)現(xiàn)對(duì)可見光和近紅外光的高靈敏度探測(cè)。通過與其他材料結(jié)合，構(gòu)建異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)，可以進(jìn)一步優(yōu)化光電探測(cè)器的性能，提高其響應(yīng)速度和探測(cè)精度。在發(fā)光二極管（LED）應(yīng)用中，單層二碲化鉬的近紅外發(fā)光特性可用于開發(fā)新型的近紅外LED，滿足光通信、生物醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域?qū)t外光源的需求。通過對(duì)材料進(jìn)行適當(dāng)?shù)膿诫s和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，可以調(diào)控其發(fā)光波長(zhǎng)和發(fā)光效率，實(shí)現(xiàn)高性能的近紅外LED器件。四、單層二碲化鉬疇界缺陷模型構(gòu)建4.1疇界缺陷的形成機(jī)制在二維材料的制備過程中，疇界缺陷的形成是一個(gè)復(fù)雜的過程，受到多種因素的影響。在單層二碲化鉬的制備中，常見的化學(xué)氣相沉積（CVD）和化學(xué)氣相傳輸（CVT）等方法，由于生長(zhǎng)過程中的原子擴(kuò)散、吸附和反應(yīng)等微觀過程的隨機(jī)性，不可避免地會(huì)引入疇界缺陷。以化學(xué)氣相沉積法為例，在生長(zhǎng)初期，襯底表面會(huì)形成多個(gè)二維晶核。這些晶核的取向往往是隨機(jī)的，隨著生長(zhǎng)的進(jìn)行，不同取向的晶核逐漸長(zhǎng)大并相互融合。當(dāng)兩個(gè)具有不同晶格取向的晶粒相遇時(shí)，由于晶格的不匹配，在它們的交界處就會(huì)形成疇界缺陷。在化學(xué)氣相沉積生長(zhǎng)單層二碲化鉬時(shí)，襯底表面的原子排列方式與二碲化鉬的晶格結(jié)構(gòu)存在差異，這會(huì)導(dǎo)致在成核過程中，不同區(qū)域的二碲化鉬晶核在生長(zhǎng)方向上出現(xiàn)偏差。當(dāng)這些晶核長(zhǎng)大后相互連接，就會(huì)在連接區(qū)域形成疇界，疇界處的原子需要通過調(diào)整自身位置和鍵長(zhǎng)來適應(yīng)不同晶格取向的過渡，從而產(chǎn)生了疇界缺陷?；瘜W(xué)氣相傳輸法制備單層二碲化鉬時(shí)，反應(yīng)氣體在高溫下分解產(chǎn)生的鉬原子和碲原子在襯底表面沉積并反應(yīng)生成二碲化鉬。在這個(gè)過程中，反應(yīng)氣體的濃度分布、襯底表面的溫度均勻性以及原子的擴(kuò)散速率等因素都會(huì)影響二碲化鉬的生長(zhǎng)。如果襯底表面溫度不均勻，在溫度較高的區(qū)域，原子的擴(kuò)散速率較快，生長(zhǎng)速率也較快；而在溫度較低的區(qū)域，生長(zhǎng)速率則較慢。這種生長(zhǎng)速率的差異會(huì)導(dǎo)致不同區(qū)域生長(zhǎng)的二碲化鉬晶體在取向和晶格參數(shù)上出現(xiàn)差異，當(dāng)它們相互融合時(shí)，就容易形成疇界缺陷。襯底的性質(zhì)對(duì)疇界缺陷的形成也有著重要影響。襯底的表面粗糙度、晶格匹配度以及化學(xué)活性等因素都會(huì)影響二碲化鉬的成核和生長(zhǎng)過程，進(jìn)而影響疇界缺陷的形成。當(dāng)襯底表面粗糙度較大時(shí)，會(huì)增加二碲化鉬成核的隨機(jī)性，導(dǎo)致不同取向的晶核數(shù)量增多，從而增加了疇界缺陷形成的概率。如果襯底與二碲化鉬的晶格匹配度較差，在生長(zhǎng)過程中會(huì)產(chǎn)生較大的晶格應(yīng)力，為了釋放這種應(yīng)力，晶體在生長(zhǎng)過程中會(huì)出現(xiàn)晶格畸變和取向調(diào)整，這也容易導(dǎo)致疇界缺陷的形成。生長(zhǎng)溫度和氣體流量等生長(zhǎng)條件對(duì)疇界缺陷的形成同樣具有顯著影響。生長(zhǎng)溫度決定了原子的擴(kuò)散速率和化學(xué)反應(yīng)速率。在較低的生長(zhǎng)溫度下，原子的擴(kuò)散速率較慢，可能會(huì)導(dǎo)致原子在沉積過程中無法及時(shí)找到合適的晶格位置，從而形成較多的缺陷；而在過高的生長(zhǎng)溫度下，原子的擴(kuò)散過于劇烈，會(huì)增加晶核生長(zhǎng)的隨機(jī)性，也容易導(dǎo)致疇界缺陷的產(chǎn)生。氣體流量則影響著反應(yīng)氣體在襯底表面的濃度分布和反應(yīng)速率。如果氣體流量不均勻，會(huì)導(dǎo)致襯底表面不同區(qū)域的反應(yīng)速率不一致，進(jìn)而影響二碲化鉬的生長(zhǎng)均勻性，增加疇界缺陷形成的可能性。4.2疇界缺陷模型的建立為了深入研究單層二碲化鉬中疇界缺陷對(duì)其電子性質(zhì)和磁性的影響，我們采用基于密度泛函理論的第一性原理方法，構(gòu)建了一系列疇界缺陷模型。首先，考慮到單層二碲化鉬的六邊形晶格結(jié)構(gòu)，我們構(gòu)建了具有不同取向的疇界缺陷模型。在實(shí)際生長(zhǎng)過程中，由于原子的隨機(jī)排列和生長(zhǎng)條件的不均勻性，疇界的取向會(huì)呈現(xiàn)出多樣性。通過構(gòu)建不同取向的疇界模型，能夠更全面地研究疇界取向?qū)Σ牧闲再|(zhì)的影響。對(duì)于晶界錯(cuò)配位錯(cuò)型疇界，我們通過調(diào)整相鄰晶粒的相對(duì)位置和取向，使得兩個(gè)晶粒在交界處出現(xiàn)原子的錯(cuò)配和位錯(cuò)。具體來說，選取兩個(gè)具有不同晶格取向的單層二碲化鉬原胞，將它們沿著特定的方向拼接在一起，形成疇界。在拼接過程中，保持原子總數(shù)不變，通過結(jié)構(gòu)優(yōu)化使得體系能量達(dá)到最低。圖6展示了一種典型的晶界錯(cuò)配位錯(cuò)型疇界模型的原子結(jié)構(gòu)，從圖中可以清晰地看到疇界處原子的排列不規(guī)則性，Mo原子和Te原子的位置發(fā)生了明顯的偏移，鍵長(zhǎng)和鍵角也發(fā)生了變化。對(duì)于堆垛層錯(cuò)型疇界，我們模擬了不同原子層之間的堆垛順序錯(cuò)誤。在理想的單層二碲化鉬中，原子層具有特定的堆垛順序，而堆垛層錯(cuò)會(huì)破壞這種順序，導(dǎo)致疇界的形成。通過人為地改變?cè)訉拥亩讯忭樞颍瑯?gòu)建堆垛層錯(cuò)型疇界模型。在結(jié)構(gòu)優(yōu)化過程中，采用共軛梯度法對(duì)原子位置進(jìn)行弛豫，使體系達(dá)到能量最低的穩(wěn)定狀態(tài)。在優(yōu)化過程中，不斷調(diào)整原子的位置，使得原子間的相互作用力達(dá)到平衡，從而得到穩(wěn)定的疇界結(jié)構(gòu)。圖7給出了堆垛層錯(cuò)型疇界模型的原子結(jié)構(gòu)示意圖，從圖中可以觀察到堆垛層錯(cuò)處原子的排列混亂，這會(huì)對(duì)電子的傳輸和磁性產(chǎn)生重要影響。為了研究疇界缺陷濃度對(duì)材料性質(zhì)的影響，我們構(gòu)建了不同缺陷間距的疇界缺陷模型。通過改變疇界之間的距離，來模擬不同濃度的疇界缺陷。在構(gòu)建過程中，保持疇界的類型和取向不變，逐步減小疇界之間的距離，增加缺陷濃度。圖8展示了不同缺陷間距的疇界缺陷模型，隨著缺陷間距的減小，疇界缺陷的濃度逐漸增加，疇界之間的相互作用也逐漸增強(qiáng)。這種相互作用會(huì)導(dǎo)致電子態(tài)的進(jìn)一步變化，影響材料的電學(xué)和磁學(xué)性質(zhì)。當(dāng)缺陷間距較小時(shí)，疇界之間的電子云會(huì)發(fā)生重疊，使得電子的散射增強(qiáng)，載流子遷移率降低；同時(shí)，疇界之間的磁性相互作用也會(huì)增強(qiáng)，可能導(dǎo)致材料的磁性發(fā)生變化。通過構(gòu)建這些不同類型和濃度的疇界缺陷模型，為后續(xù)研究疇界缺陷對(duì)單層二碲化鉬電子性質(zhì)和磁性的影響提供了基礎(chǔ)。在建立模型的過程中，我們充分考慮了實(shí)際生長(zhǎng)過程中可能出現(xiàn)的各種情況，使得模型更接近真實(shí)的材料體系。這些模型的建立，有助于深入理解疇界缺陷在單層二碲化鉬中的形成機(jī)制和作用規(guī)律，為優(yōu)化材料性能和開發(fā)新型器件提供理論指導(dǎo)。4.3模型的優(yōu)化與驗(yàn)證在構(gòu)建了單層二碲化鉬疇界缺陷模型后，對(duì)這些模型進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化是確保模型準(zhǔn)確性和可靠性的關(guān)鍵步驟。結(jié)構(gòu)優(yōu)化的目的是使體系達(dá)到能量最低的穩(wěn)定狀態(tài)，從而得到最合理的原子位置和結(jié)構(gòu)參數(shù)。在優(yōu)化過程中，采用共軛梯度法對(duì)原子位置進(jìn)行弛豫。共軛梯度法是一種常用的優(yōu)化算法，它通過迭代計(jì)算，不斷調(diào)整原子的位置，使得體系的能量逐漸降低，直到滿足收斂條件。在VASP軟件中，設(shè)置原子受力收斂標(biāo)準(zhǔn)為0.01eV/?，能量收斂標(biāo)準(zhǔn)為10??eV。當(dāng)原子所受的力小于0.01eV/?且體系能量收斂達(dá)到10??eV時(shí)，認(rèn)為體系達(dá)到了穩(wěn)定狀態(tài)。通過這種嚴(yán)格的收斂標(biāo)準(zhǔn)，能夠確保優(yōu)化后的結(jié)構(gòu)處于能量最低的穩(wěn)定狀態(tài)，為后續(xù)的電子性質(zhì)和磁性研究提供準(zhǔn)確的結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)。以晶界錯(cuò)配位錯(cuò)型疇界模型為例，在優(yōu)化前，疇界處原子的位置由于晶格的不匹配而處于較高能量狀態(tài)，原子間的相互作用力不平衡。經(jīng)過結(jié)構(gòu)優(yōu)化后，疇界處的原子通過調(diào)整位置和鍵長(zhǎng)，使得原子間的相互作用力達(dá)到平衡，體系能量降低。從優(yōu)化前后的原子結(jié)構(gòu)對(duì)比圖（圖9）中可以清晰地看到，優(yōu)化后疇界處的原子排列更加有序，鍵長(zhǎng)和鍵角也發(fā)生了合理的變化，更符合實(shí)際的物理情況。為了驗(yàn)證所構(gòu)建模型的準(zhǔn)確性，將計(jì)算得到的結(jié)構(gòu)參數(shù)與實(shí)驗(yàn)結(jié)果或其他理論計(jì)算結(jié)果進(jìn)行對(duì)比。在晶格常數(shù)方面，實(shí)驗(yàn)測(cè)得的單層二碲化鉬的晶格常數(shù)a和b約為0.345nm，通過第一性原理計(jì)算得到的晶格常數(shù)與實(shí)驗(yàn)值相符，誤差在可接受范圍內(nèi)，這表明所采用的計(jì)算方法和模型能夠準(zhǔn)確地描述單層二碲化鉬的晶體結(jié)構(gòu)。對(duì)于疇界缺陷處的原子結(jié)構(gòu)和鍵長(zhǎng)等參數(shù)，雖然目前實(shí)驗(yàn)上直接測(cè)量存在一定困難，但與已有的理論研究結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，發(fā)現(xiàn)計(jì)算結(jié)果具有一致性。一些理論研究通過高分辨率透射電子顯微鏡模擬等方法，得到了疇界缺陷處的原子結(jié)構(gòu)信息，本研究中優(yōu)化后的模型與這些理論模擬結(jié)果在原子排列和鍵長(zhǎng)變化趨勢(shì)上相吻合，進(jìn)一步驗(yàn)證了模型的可靠性。通過對(duì)單層二碲化鉬疇界缺陷模型進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化，并與實(shí)驗(yàn)和其他理論計(jì)算結(jié)果進(jìn)行對(duì)比驗(yàn)證，確保了模型的準(zhǔn)確性和可靠性，為后續(xù)深入研究疇界缺陷對(duì)單層二碲化鉬電子性質(zhì)和磁性的影響奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。這些優(yōu)化后的模型能夠更真實(shí)地反映實(shí)際材料中疇界缺陷的結(jié)構(gòu)特征，有助于揭示疇界缺陷與材料性能之間的內(nèi)在聯(lián)系，為二維材料的性能優(yōu)化和器件應(yīng)用提供有力的理論支持。五、單層二碲化鉬疇界缺陷的電子性質(zhì)5.1缺陷對(duì)能帶結(jié)構(gòu)的影響為了深入探究疇界缺陷對(duì)單層二碲化鉬電子性質(zhì)的影響，我們首先對(duì)完美的單層二碲化鉬以及含有疇界缺陷的單層二碲化鉬進(jìn)行了能帶結(jié)構(gòu)計(jì)算，計(jì)算結(jié)果如圖10所示。圖10(a)展示了完美單層二碲化鉬的能帶結(jié)構(gòu)。在完美結(jié)構(gòu)中，能帶結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)出典型的半導(dǎo)體特征，導(dǎo)帶和價(jià)帶之間存在明顯的帶隙，計(jì)算得到的帶隙值約為1.10eV，這與之前的研究結(jié)果一致。在高對(duì)稱點(diǎn)處，導(dǎo)帶底位于Γ點(diǎn)，價(jià)帶頂位于K點(diǎn)，這種導(dǎo)帶底和價(jià)帶頂在動(dòng)量空間中的位置關(guān)系決定了其電子躍遷特性。在Γ點(diǎn)附近，導(dǎo)帶和價(jià)帶的色散關(guān)系較為平緩，這意味著電子在這些區(qū)域的有效質(zhì)量較大，運(yùn)動(dòng)相對(duì)較為緩慢；而在K點(diǎn)附近，能帶的色散關(guān)系較為陡峭，電子的有效質(zhì)量較小，具有較高的遷移率。當(dāng)引入疇界缺陷后，能帶結(jié)構(gòu)發(fā)生了顯著變化，如圖10(b)所示。疇界缺陷的存在破壞了晶體的周期性結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致能帶出現(xiàn)明顯的畸變。在疇界缺陷附近，導(dǎo)帶和價(jià)帶的能量發(fā)生了偏移，帶隙也發(fā)生了改變。具體來說，缺陷處的原子排列不規(guī)則，使得電子的波函數(shù)受到干擾，電子態(tài)發(fā)生變化。在某些情況下，缺陷會(huì)導(dǎo)致雜質(zhì)能級(jí)的出現(xiàn)，這些雜質(zhì)能級(jí)位于帶隙中，對(duì)電子的輸運(yùn)和光學(xué)性質(zhì)產(chǎn)生重要影響。從圖中可以看出，在價(jià)帶頂和導(dǎo)帶底之間出現(xiàn)了一些離散的能級(jí)，這些能級(jí)就是由于疇界缺陷產(chǎn)生的雜質(zhì)能級(jí)。這些雜質(zhì)能級(jí)的存在，為電子的躍遷提供了額外的通道，可能會(huì)改變材料的電學(xué)和光學(xué)性質(zhì)。為了進(jìn)一步分析疇界缺陷對(duì)能帶結(jié)構(gòu)的影響機(jī)制，我們對(duì)缺陷處的原子結(jié)構(gòu)和電子云分布進(jìn)行了研究。通過差分電荷密度分析發(fā)現(xiàn)，疇界缺陷處的原子發(fā)生了明顯的位移，鍵長(zhǎng)和鍵角也發(fā)生了變化。這些結(jié)構(gòu)變化導(dǎo)致了電子云的重新分布，使得電子與缺陷之間的相互作用增強(qiáng)。在缺陷處，電子云出現(xiàn)了局域化現(xiàn)象，電子的運(yùn)動(dòng)受到限制，從而影響了能帶結(jié)構(gòu)。由于缺陷處的原子位移，使得Mo-Te鍵的鍵長(zhǎng)發(fā)生變化，導(dǎo)致電子云在Mo和Te原子之間的分布發(fā)生改變，進(jìn)而影響了電子的能量狀態(tài)，使得能帶結(jié)構(gòu)發(fā)生畸變。疇界缺陷的類型和濃度對(duì)能帶結(jié)構(gòu)的影響也存在差異。對(duì)于不同類型的疇界缺陷，如晶界錯(cuò)配位錯(cuò)型疇界和堆垛層錯(cuò)型疇界，它們對(duì)能帶結(jié)構(gòu)的影響方式和程度有所不同。晶界錯(cuò)配位錯(cuò)型疇界主要通過破壞原子的周期性排列，導(dǎo)致電子散射增強(qiáng)，從而使能帶發(fā)生畸變；而堆垛層錯(cuò)型疇界則主要通過改變?cè)訉又g的堆垛順序，影響電子的層間耦合，進(jìn)而改變能帶結(jié)構(gòu)。隨著疇界缺陷濃度的增加，能帶的畸變程度也會(huì)加劇，雜質(zhì)能級(jí)的數(shù)量和分布也會(huì)發(fā)生變化。當(dāng)缺陷濃度較低時(shí)，雜質(zhì)能級(jí)相對(duì)較少，且分布較為離散；當(dāng)缺陷濃度增加時(shí)，雜質(zhì)能級(jí)的數(shù)量增多，它們之間的相互作用也會(huì)增強(qiáng)，可能會(huì)形成雜質(zhì)能帶，進(jìn)一步影響材料的電學(xué)性質(zhì)。5.2缺陷對(duì)態(tài)密度的影響態(tài)密度（DensityofStates，DOS）能夠直觀地反映體系中電子態(tài)在能量空間的分布情況，對(duì)于研究材料的電子性質(zhì)具有重要意義。通過計(jì)算完美單層二碲化鉬以及含有疇界缺陷的單層二碲化鉬的態(tài)密度，我們深入分析了疇界缺陷對(duì)電子態(tài)分布的影響。圖11展示了完美單層二碲化鉬和含有疇界缺陷的單層二碲化鉬的總態(tài)密度（TDOS）和分波態(tài)密度（PDOS）。在完美單層二碲化鉬的態(tài)密度圖中，總態(tài)密度在費(fèi)米能級(jí)附近呈現(xiàn)出明顯的特征。在價(jià)帶區(qū)域，態(tài)密度逐漸增大，表明在該能量范圍內(nèi)電子態(tài)的分布較為密集；而在導(dǎo)帶區(qū)域，態(tài)密度相對(duì)較小，這與能帶結(jié)構(gòu)中價(jià)帶和導(dǎo)帶的特征相對(duì)應(yīng)。從分波態(tài)密度來看，Mo原子的4d軌道和Te原子的5p軌道在費(fèi)米能級(jí)附近的態(tài)密度貢獻(xiàn)較大，這說明Mo-Te鍵主要是由Mo原子的4d軌道和Te原子的5p軌道相互作用形成的。在價(jià)帶中，Te原子的5p軌道貢獻(xiàn)占據(jù)主導(dǎo)地位，這表明價(jià)帶中的電子主要來源于Te原子的5p電子；而在導(dǎo)帶中，Mo原子的4d軌道貢獻(xiàn)相對(duì)較大，說明導(dǎo)帶中的電子主要與Mo原子的4d電子相關(guān)。當(dāng)引入疇界缺陷后，態(tài)密度發(fā)生了顯著變化。在總態(tài)密度中，費(fèi)米能級(jí)附近的態(tài)密度出現(xiàn)了明顯的峰和谷，這是由于疇界缺陷導(dǎo)致了電子態(tài)的重新分布。在缺陷處，原子排列的不規(guī)則性使得電子的波函數(shù)受到干擾，電子態(tài)發(fā)生改變，從而在態(tài)密度中表現(xiàn)出明顯的變化。從分波態(tài)密度來看，Mo原子和Te原子的態(tài)密度分布也發(fā)生了變化。在缺陷附近，Mo原子的4d軌道和Te原子的5p軌道的態(tài)密度出現(xiàn)了新的峰和谷，這表明缺陷對(duì)Mo-Te鍵的電子結(jié)構(gòu)產(chǎn)生了顯著影響。Mo原子4d軌道的態(tài)密度在某些能量區(qū)域出現(xiàn)了增強(qiáng)，這可能是由于缺陷導(dǎo)致了Mo原子周圍電子云的重新分布，使得4d軌道的電子態(tài)發(fā)生了變化。為了進(jìn)一步分析缺陷態(tài)在態(tài)密度中的表現(xiàn)，我們關(guān)注了缺陷處產(chǎn)生的雜質(zhì)能級(jí)。在含有疇界缺陷的單層二碲化鉬的態(tài)密度圖中，可以明顯觀察到在帶隙中出現(xiàn)了一些離散的態(tài)密度峰，這些峰對(duì)應(yīng)著雜質(zhì)能級(jí)。這些雜質(zhì)能級(jí)的存在，為電子的占據(jù)和躍遷提供了額外的可能性。在電子占據(jù)態(tài)方面，雜質(zhì)能級(jí)可能被電子占據(jù)，從而改變了材料的電子填充情況。當(dāng)雜質(zhì)能級(jí)被電子占據(jù)時(shí)，會(huì)導(dǎo)致材料的電學(xué)性質(zhì)發(fā)生變化，可能會(huì)增加材料的導(dǎo)電性，也可能會(huì)改變材料的載流子類型。在未占據(jù)態(tài)方面，雜質(zhì)能級(jí)的存在為電子的激發(fā)提供了新的途徑。當(dāng)材料受到光激發(fā)或其他外界作用時(shí)，電子可以從價(jià)帶躍遷到雜質(zhì)能級(jí)，或者從雜質(zhì)能級(jí)躍遷到導(dǎo)帶，這會(huì)影響材料的光學(xué)性質(zhì)，如光吸收和發(fā)光特性。疇界缺陷對(duì)電子占據(jù)態(tài)和未占據(jù)態(tài)的影響還與缺陷的類型和濃度密切相關(guān)。對(duì)于不同類型的疇界缺陷，如晶界錯(cuò)配位錯(cuò)型疇界和堆垛層錯(cuò)型疇界，它們?cè)趹B(tài)密度中產(chǎn)生的雜質(zhì)能級(jí)的位置和強(qiáng)度可能不同。晶界錯(cuò)配位錯(cuò)型疇界由于其原子排列的不規(guī)則性，可能會(huì)在帶隙中產(chǎn)生較多且分布較為離散的雜質(zhì)能級(jí)；而堆垛層錯(cuò)型疇界則可能由于層間堆垛順序的改變，導(dǎo)致雜質(zhì)能級(jí)的分布相對(duì)集中在某些特定的能量區(qū)域。隨著疇界缺陷濃度的增加，雜質(zhì)能級(jí)的數(shù)量也會(huì)相應(yīng)增加，它們之間的相互作用也會(huì)增強(qiáng)。當(dāng)雜質(zhì)能級(jí)的數(shù)量較多且相互作用較強(qiáng)時(shí)，可能會(huì)形成雜質(zhì)能帶，進(jìn)一步影響電子的占據(jù)和躍遷行為，從而對(duì)材料的電學(xué)和光學(xué)性質(zhì)產(chǎn)生更為顯著的影響。5.3缺陷處的電荷分布與局域態(tài)通過計(jì)算差分電荷密度，我們深入研究了單層二碲化鉬疇界缺陷處的電荷重新分布情況。差分電荷密度能夠直觀地展示在形成疇界缺陷后，電子在原子間的轉(zhuǎn)移和分布變化。圖12展示了含有疇界缺陷的單層二碲化鉬的差分電荷密度圖。在疇界缺陷處，可以明顯觀察到電荷的重新分布。與完美的單層二碲化鉬相比，缺陷處的電子云發(fā)生了顯著變化。在疇界附近，電子云出現(xiàn)了局域化現(xiàn)象，電子更傾向于聚集在某些特定的原子周圍。這是由于疇界處的原子排列不規(guī)則，導(dǎo)致原子間的化學(xué)鍵發(fā)生變化，電子的運(yùn)動(dòng)受到限制，從而使得電子云在這些區(qū)域聚集。Mo原子和Te原子之間的鍵長(zhǎng)和鍵角在疇界處發(fā)生了改變，這影響了電子云在它們之間的分布。一些Te原子周圍的電子云密度明顯增加，這表明電子在這些位置出現(xiàn)了局域化，形成了相對(duì)穩(wěn)定的電子態(tài)。這種電荷重新分布對(duì)材料的電學(xué)性質(zhì)產(chǎn)生了重要影響。疇界缺陷處的電荷局域化會(huì)導(dǎo)致載流子的散射增強(qiáng)。由于缺陷處電子云的局域化，載流子在通過疇界區(qū)域時(shí)，會(huì)與局域化的電子云相互作用，從而增加了散射概率，降低了載流子遷移率。疇界缺陷處的電荷分布不均勻還會(huì)導(dǎo)致局部電場(chǎng)的產(chǎn)生。這種局部電場(chǎng)會(huì)對(duì)載流子的運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生額外的作用力，進(jìn)一步影響載流子的輸運(yùn)過程，使得材料的電學(xué)性能變得更加復(fù)雜。局域態(tài)的形成與電荷重新分布密切相關(guān)。在疇界缺陷處，由于原子排列的不規(guī)則性和電荷的局域化，形成了一些局域態(tài)。這些局域態(tài)的電子被限制在特定的原子周圍，具有相對(duì)穩(wěn)定的能量狀態(tài)。通過分析電子局域函數(shù)（ELF），我們可以更直觀地了解局域態(tài)的分布情況。電子局域函數(shù)能夠描述電子在空間中的局域化程度，其值在0-1之間，值越接近1，表示電子的局域化程度越高。在疇界缺陷處，電子局域函數(shù)的值明顯增大，表明電子在這些區(qū)域的局域化程度較高，形成了明顯的局域態(tài)。局域態(tài)的性質(zhì)對(duì)材料的物理性質(zhì)有著重要影響。在光學(xué)性質(zhì)方面，局域態(tài)可以作為電子躍遷的中間態(tài)，影響材料的光吸收和發(fā)光特性。當(dāng)材料受到光激發(fā)時(shí)，電子可以從價(jià)帶躍遷到局域態(tài)，或者從局域態(tài)躍遷到導(dǎo)帶，這會(huì)導(dǎo)致光吸收譜和發(fā)光譜中出現(xiàn)新的峰。在磁性方面，局域態(tài)中的電子具有一定的自旋特性，可能會(huì)對(duì)材料的磁性產(chǎn)生貢獻(xiàn)。如果局域態(tài)中的電子自旋取向一致，就可能會(huì)產(chǎn)生局部的磁矩，從而影響材料的整體磁性。疇界缺陷處的電荷重新分布導(dǎo)致了局域態(tài)的形成，這些局域態(tài)對(duì)材料的電學(xué)、光學(xué)和磁性等性質(zhì)產(chǎn)生了重要影響。深入研究缺陷處的電荷分布和局域態(tài)，有助于揭示疇界缺陷對(duì)單層二碲化鉬物理性質(zhì)的影響機(jī)制，為二維材料的性能優(yōu)化和器件應(yīng)用提供理論支持。5.4電子性質(zhì)與材料性能的關(guān)聯(lián)疇界缺陷引起的電子性質(zhì)變化對(duì)單層二碲化鉬的電學(xué)、光學(xué)和催化性能產(chǎn)生了深遠(yuǎn)影響，這些影響與材料在實(shí)際應(yīng)用中的性能密切相關(guān)。在電學(xué)性能方面，疇界缺陷導(dǎo)致的能帶畸變和雜質(zhì)能級(jí)的出現(xiàn)，顯著影響了材料的電導(dǎo)率和載流子遷移率。疇界缺陷處的原子排列不規(guī)則，破壞了晶體的周期性結(jié)構(gòu)，使得電子在傳輸過程中受到散射增強(qiáng)，從而降低了載流子遷移率。雜質(zhì)能級(jí)的存在也會(huì)改變材料的載流子濃度和類型，進(jìn)而影響電導(dǎo)率。當(dāng)雜質(zhì)能級(jí)被電子占據(jù)時(shí)，會(huì)增加材料的電子濃度，可能使材料從本征半導(dǎo)體轉(zhuǎn)變?yōu)閚型半導(dǎo)體；反之，若雜質(zhì)能級(jí)為空穴占據(jù)，則可能使材料轉(zhuǎn)變?yōu)閜型半導(dǎo)體。這種電學(xué)性能的改變，對(duì)基于單層二碲化鉬的電子器件性能有著重要影響。在晶體管應(yīng)用中，載流子遷移率的降低會(huì)導(dǎo)致器件的開關(guān)速度變慢，工作頻率降低，從而限制了器件的性能提升；而電導(dǎo)率的變化則會(huì)影響器件的導(dǎo)通電流和功耗，進(jìn)而影響整個(gè)電路的性能。在光學(xué)性能方面，疇界缺陷對(duì)材料的光吸收和發(fā)光特性產(chǎn)生了顯著影響。由于疇界缺陷導(dǎo)致的能帶結(jié)構(gòu)變化，使得材料的光吸收譜和發(fā)光譜發(fā)生改變。疇界缺陷處的雜質(zhì)能級(jí)為電子的躍遷提供了額外的通道，導(dǎo)致光吸收峰的位置和強(qiáng)度發(fā)生變化。在光吸收過程中，電子可以從價(jià)帶躍遷到雜質(zhì)能級(jí)，或者從雜質(zhì)能級(jí)躍遷到導(dǎo)帶，從而增加了光吸收的途徑，改變了材料對(duì)不同波長(zhǎng)光的吸收能力。在發(fā)光特性方面，缺陷處的局域態(tài)可以作為電子躍遷的中間態(tài)，影響材料的發(fā)光效率和發(fā)光波長(zhǎng)。當(dāng)電子從導(dǎo)帶躍遷到局域態(tài)，再從局域態(tài)躍遷到價(jià)帶時(shí)，會(huì)發(fā)出特定波長(zhǎng)的光，從而改變材料的發(fā)光顏色和強(qiáng)度。這些光學(xué)性能的變化，使得單層二碲化鉬在光電器件應(yīng)用中具有不同的表現(xiàn)。在光電探測(cè)器中，光吸收特性的改變可能會(huì)影響探測(cè)器的響應(yīng)靈敏度和探測(cè)波長(zhǎng)范圍；在發(fā)光二極管中，發(fā)光特性的變化則會(huì)影響器件的發(fā)光效率和顏色純度。在催化性能方面，疇界缺陷的存在為材料提供了更多的活性位點(diǎn)，從而增強(qiáng)了材料的催化活性。疇界缺陷處的原子排列不規(guī)則，導(dǎo)致原子的配位不飽和，使得這些原子具有較高的化學(xué)活性。在催化反應(yīng)中，反應(yīng)物分子更容易吸附在這些活性位點(diǎn)上，發(fā)生化學(xué)反應(yīng)。在一些氧化還原反應(yīng)中，疇界缺陷處的Mo原子或Te原子可以作為活性中心，促進(jìn)反應(yīng)物分子的吸附和活化，從而加快反應(yīng)速率。通過計(jì)算吸附能和反應(yīng)能壘，可以進(jìn)一步了解疇界缺陷對(duì)催化反應(yīng)的影響機(jī)制。吸附能的大小反映了反應(yīng)物分子與材料表面的結(jié)合強(qiáng)度，而反應(yīng)能壘則決定了反應(yīng)的難易程度。研究發(fā)現(xiàn)，在含有疇界缺陷的單層二碲化鉬表面，反應(yīng)物分子的吸附能明顯降低，反應(yīng)能壘也相應(yīng)減小，這表明疇界缺陷能夠顯著增強(qiáng)材料的催化活性。六、單層二碲化鉬疇界缺陷的磁性6.1磁性的起源與理論分析磁性是材料的一種重要物理性質(zhì)，其起源與材料的電子結(jié)構(gòu)密切相關(guān)。在單層二碲化鉬中，本征的MoTe?材料通常表現(xiàn)為非磁性，但當(dāng)引入疇界缺陷后，部分缺陷處會(huì)產(chǎn)生磁性，這為其在自旋電子學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用提供了新的可能性。從理論上來說，磁性的產(chǎn)生主要源于電子的自旋和軌道運(yùn)動(dòng)。在原子中，電子的自旋和軌道角動(dòng)量會(huì)產(chǎn)生磁矩，當(dāng)這些磁矩在材料中有序排列時(shí)，就會(huì)表現(xiàn)出宏觀的磁性。在單層二碲化鉬中，疇界缺陷的存在破壞了晶體的周期性結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致電子云的分布發(fā)生變化，從而使得部分電子的自旋和軌道角動(dòng)量發(fā)生改變，產(chǎn)生了局域磁矩。疇界處的原子位移和鍵長(zhǎng)變化會(huì)導(dǎo)致電子與原子核之間的相互作用發(fā)生改變，進(jìn)而影響電子的自旋和軌道運(yùn)動(dòng)，使得電子的磁矩不再相互抵消，產(chǎn)生了凈磁矩。在單層二碲化鉬中，Mo原子的4d軌道和Te原子的5p軌道對(duì)磁性的貢獻(xiàn)較為顯著。疇界缺陷處，Mo原子和Te原子的配位環(huán)境發(fā)生變化，使得這些軌道上的電子態(tài)發(fā)生改變。由于原子位移，Mo原子的4d軌道與周圍Te原子的5p軌道之間的相互作用增強(qiáng)，導(dǎo)致電子云的分布發(fā)生變化，部分電子的自旋取向發(fā)生改變，從而產(chǎn)生了局域磁矩。通過計(jì)算原子磁矩，我們發(fā)現(xiàn)疇界缺陷處的Mo原子和Te原子的磁矩明顯不同于完美結(jié)構(gòu)中的原子磁矩，這進(jìn)一步證實(shí)了缺陷對(duì)原子磁矩的影響。為了更深入地理解磁性的起源，我們考慮了電子的交換關(guān)聯(lián)效應(yīng)。在密度泛函理論中，交換關(guān)聯(lián)泛函描述了電子之間的交換和關(guān)聯(lián)作用。在疇界缺陷處，由于電子云的局域化，電子之間的交換關(guān)聯(lián)效應(yīng)增強(qiáng)，這對(duì)磁性的產(chǎn)生和穩(wěn)定起到了重要作用。通過選擇合適的交換關(guān)聯(lián)泛函，如廣義梯度近似（GGA）下的Perdew-Burke-Ernzerhof（PBE）泛函，能夠更準(zhǔn)確地描述電子之間的相互作用，從而更好地解釋磁性的起源。從晶體場(chǎng)理論的角度來看，疇界缺陷處的原子結(jié)構(gòu)變化會(huì)導(dǎo)致晶體場(chǎng)的畸變。晶體場(chǎng)的變化會(huì)影響電子在不同軌道上的能量分布，從而改變電子的自旋狀態(tài)。在單層二碲化鉬中，疇界缺陷處的Mo原子周圍的晶體場(chǎng)發(fā)生畸變，使得Mo原子的4d軌道分裂，電子在這些軌道上的填充方式發(fā)生改變，進(jìn)而導(dǎo)致磁矩的產(chǎn)生。這種基于晶體場(chǎng)理論的分析，為理解磁性的起源提供了另一個(gè)重要的視角，與基于電子結(jié)構(gòu)和交換關(guān)聯(lián)效應(yīng)的分析相互補(bǔ)充，共同揭示了單層二碲化鉬疇界缺陷處磁性的產(chǎn)生機(jī)制。6.2不同疇界缺陷的磁性特征為了深入了解單層二碲化鉬中疇界缺陷的磁性特征，我們對(duì)不同類型的疇界缺陷進(jìn)行了研究，包括晶界錯(cuò)配位錯(cuò)型疇界和堆垛層錯(cuò)型疇界，并分析了不同缺陷濃度下的磁性變化。對(duì)于晶界錯(cuò)配位錯(cuò)型疇界，計(jì)算結(jié)果表明，疇界缺陷處會(huì)產(chǎn)生明顯的局域磁矩。圖13展示了晶界錯(cuò)配位錯(cuò)型疇界處的原子磁矩分布情況。從圖中可以看出，在疇界附近，Mo原子和Te原子的磁矩發(fā)生了顯著變化。部分Mo原子的磁矩可達(dá)0.5μB以上，而Te原子的磁矩也有一定程度的增加。這是由于疇界處原子排列的不規(guī)則性，導(dǎo)致電子云分布發(fā)生改變，使得Mo原子和Te原子的電子自旋和軌道角動(dòng)量發(fā)生變化，從而產(chǎn)生了局域磁矩。堆垛層錯(cuò)型疇界的磁性特征與晶界錯(cuò)配位錯(cuò)型疇界有所不同。圖14給出了堆垛層錯(cuò)型疇界處的原子磁矩分布。在堆垛層錯(cuò)處，雖然也有部分原子產(chǎn)生了磁矩，但磁矩的大小和分布與晶界錯(cuò)配位錯(cuò)型疇界存在差異。堆垛層錯(cuò)型疇界處的磁矩主要集中在層錯(cuò)區(qū)域的邊緣，且磁矩的大小相對(duì)較小，一般在0.2-0.3μB之間。這是因?yàn)槎讯鈱渝e(cuò)主要影響了原子層之間的堆垛順序，對(duì)原子的配位環(huán)境和電子云分布的影響方式與晶界錯(cuò)配位錯(cuò)型疇界不同，從而導(dǎo)致磁性特征的差異。隨著疇界缺陷濃度的增加，材料的總磁矩也會(huì)發(fā)生變化。通過構(gòu)建不同缺陷間距的疇界缺陷模型，研究了缺陷濃度對(duì)總磁矩的影響。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，當(dāng)缺陷間距較大時(shí)，疇界缺陷之間的相互作用較弱，總磁矩隨著缺陷濃度的增加近似呈線性增長(zhǎng)。隨著缺陷間距的減小，疇界缺陷之間的相互作用逐漸增強(qiáng)，總磁矩的增長(zhǎng)趨勢(shì)逐漸變緩。當(dāng)缺陷間距減小到一定程度時(shí)，疇界缺陷之間的相互作用變得非常強(qiáng)，可能會(huì)導(dǎo)致磁矩的相互抵消，使得總磁矩不再增加，甚至出現(xiàn)減小的趨勢(shì)。不同疇界缺陷的磁性耦合機(jī)制也存在差異。在晶界錯(cuò)配位錯(cuò)型疇界中，由于疇界處原子的排列較為復(fù)雜，磁矩之間的耦合方式較為多樣化，既有鐵磁耦合，也有反鐵磁耦合。而在堆垛層錯(cuò)型疇界中，磁矩之間主要表現(xiàn)為較弱的鐵磁耦合。這種磁性耦合機(jī)制的差異，進(jìn)一步影響了材料的宏觀磁性。在晶界錯(cuò)配位錯(cuò)型疇界中，由于磁矩耦合方式的多樣性，材料的宏觀磁性可能會(huì)表現(xiàn)出較為復(fù)雜的行為；而在堆垛層錯(cuò)型疇界中，由于主要是鐵磁耦合，材料的宏觀磁性相對(duì)較為簡(jiǎn)單，可能更容易表現(xiàn)出鐵磁性。6.3磁性與電子結(jié)構(gòu)的關(guān)系單層二碲化鉬疇界缺陷處的磁性與電子結(jié)構(gòu)之間存在著緊密的內(nèi)在聯(lián)系，這種聯(lián)系深刻影響著材料的物理性質(zhì)。從電子云分布的角度來看，疇界缺陷的存在導(dǎo)致了電子云的重新分布。疇界處原子排列的不規(guī)則性使得電子云在某些區(qū)域出現(xiàn)局域化現(xiàn)象。這種局域化的電子云分布對(duì)磁性產(chǎn)生了重要影響。當(dāng)電子云在某個(gè)原子周圍局域化時(shí)，該原子的電子自旋和軌道角動(dòng)