基于第一性原理的二維過渡金屬硫族化合物電子與能谷性質(zhì)探究一、引言1.1研究背景與意義在材料科學的廣袤領域中，二維材料以其獨特的原子結(jié)構(gòu)和卓越的物理性質(zhì)，成為了近年來的研究焦點。二維過渡金屬硫族化合物（TransitionMetalDichalcogenides，TMDs）作為二維材料家族的重要成員，憑借其豐富的物理內(nèi)涵和廣闊的應用前景，吸引了眾多科研工作者的目光。二維過渡金屬硫族化合物是一類由過渡金屬原子（如Mo、W、Ti等）與硫族原子（如S、Se、Te等）組成的化合物，其基本結(jié)構(gòu)為過渡金屬原子被兩層硫族原子以三明治結(jié)構(gòu)夾在中間，通過共價鍵相互連接，形成穩(wěn)定的二維層狀結(jié)構(gòu)。層與層之間則通過較弱的范德華力相互作用結(jié)合在一起。這種獨特的結(jié)構(gòu)賦予了TMDs許多優(yōu)異的性質(zhì)，使其在多個領域展現(xiàn)出巨大的應用潛力。在電子學領域，部分TMDs材料具有與硅相媲美的載流子遷移率，且能夠通過外加電場實現(xiàn)對其電學性質(zhì)的有效調(diào)控，這為未來高性能、低功耗的電子器件發(fā)展提供了新的方向，有望解決傳統(tǒng)硅基器件面臨的尺寸縮小極限和功耗問題。在光電子學領域，TMDs材料表現(xiàn)出強烈的光-物質(zhì)相互作用，能夠?qū)崿F(xiàn)高效的光發(fā)射、吸收和探測，可用于制造新型的光電探測器、發(fā)光二極管和激光器等光電器件，推動光通信、光存儲等領域的技術(shù)進步。在能源領域，TMDs材料在電催化、鋰離子電池等方面具有潛在的應用價值，例如，某些TMDs材料對析氫反應具有良好的催化活性，有望提高能源轉(zhuǎn)換效率，為解決能源危機和環(huán)境污染問題提供新的途徑。在傳感器領域，TMDs材料的高比表面積和對某些氣體分子的特殊吸附特性，使其能夠?qū)崿F(xiàn)對特定氣體的高靈敏度檢測，可用于制備高性能的氣體傳感器，應用于環(huán)境監(jiān)測、生物醫(yī)學檢測等領域。深入研究二維過渡金屬硫族化合物的電子與能谷性質(zhì)，對于充分挖掘其物理內(nèi)涵、拓展其應用領域具有至關重要的意義。電子性質(zhì)是材料物理性質(zhì)的基礎，決定了材料的電學、光學、熱學等性能。能谷自由度作為TMDs材料的一個重要特性，為信息存儲和處理提供了新的維度，對能谷性質(zhì)的研究有助于推動能谷電子學這一新興領域的發(fā)展。通過研究TMDs的電子與能谷性質(zhì)，可以揭示材料內(nèi)部電子的運動規(guī)律和相互作用機制，為材料的性能優(yōu)化和應用開發(fā)提供理論依據(jù)。第一性原理計算作為一種基于量子力學原理的計算方法，在研究二維過渡金屬硫族化合物的電子與能谷性質(zhì)方面具有獨特的優(yōu)勢。它從電子的基本運動方程出發(fā)，無需借助任何實驗參數(shù)，能夠準確地計算出材料的電子結(jié)構(gòu)、能帶結(jié)構(gòu)、光學性質(zhì)等物理量。這種計算方法可以深入揭示材料的微觀結(jié)構(gòu)與宏觀性質(zhì)之間的內(nèi)在聯(lián)系，為實驗研究提供理論指導和預測。在研究TMDs的電子結(jié)構(gòu)時，第一性原理計算可以精確地計算出電子在材料中的分布和能級結(jié)構(gòu)，從而解釋材料的電學、光學等性質(zhì)。在研究能谷性質(zhì)時，第一性原理計算可以深入分析能谷的特性和相關物理機制，為能谷電子學器件的設計和開發(fā)提供理論支持。此外，第一性原理計算還可以預測新材料的性質(zhì)和性能，為材料的設計和合成提供新的思路和方向，大大縮短材料研發(fā)的周期和成本。1.2國內(nèi)外研究現(xiàn)狀二維過渡金屬硫族化合物的研究在國內(nèi)外都受到了廣泛關注，眾多科研團隊從理論和實驗多個角度深入探究其電子與能谷性質(zhì)，取得了一系列豐碩成果。在國外，許多頂尖科研機構(gòu)和高校在該領域處于前沿地位。美國加州大學伯克利分校的研究團隊通過分子束外延技術(shù)，成功制備出高質(zhì)量的二維過渡金屬硫族化合物薄膜，并利用角分辨光電子能譜（ARPES）等先進實驗手段，精確測量了其電子結(jié)構(gòu)，揭示了電子在布里淵區(qū)的分布和色散關系，為理解材料的電學和光學性質(zhì)提供了重要實驗依據(jù)。麻省理工學院的科研人員則利用第一性原理計算，系統(tǒng)研究了不同過渡金屬和硫族原子組合的二維TMDs的能谷性質(zhì)，發(fā)現(xiàn)了一些具有特殊能谷特性的材料體系，為能谷電子學器件的設計提供了新的理論方案。在歐洲，英國曼徹斯特大學的科研團隊在二維材料研究方面有著深厚的積累，他們通過對二維過渡金屬硫族化合物與襯底的界面研究，發(fā)現(xiàn)界面相互作用對材料的電子性質(zhì)有著顯著影響，能夠調(diào)控材料的載流子遷移率和能帶結(jié)構(gòu)。國內(nèi)在二維過渡金屬硫族化合物的研究方面也取得了令人矚目的成績。北京大學的研究團隊提出了一種全新的硫族單原子供應方法，通過在反應表界面引入活性硫族單原子調(diào)控生長，有效修復材料缺陷，成功實現(xiàn)了低缺陷密度、極佳光學和電學特性單層MX?（M=Mo、W；X=S、Se、Te）的晶圓級制備，并首次報道了MoS?(1-x-y)Se?xTe?y四元合金的可控合成，為二維化合物的高品質(zhì)調(diào)控生長及其多元高熵合金的設計制備提供了新的思路。清華大學材料學院呂瑞濤課題組依托“實踐十九號”衛(wèi)星，在國際上率先開展了二維半導體材料與器件的空間在軌驗證實驗，研究表明二維TMDCs材料在太空環(huán)境中表現(xiàn)出優(yōu)異的光學和電學性能穩(wěn)定性，為研發(fā)高性能空間電子器件提供了重要實驗依據(jù)。此外，中國科學院物理研究所、中國科學技術(shù)大學等科研機構(gòu)和高校也在二維過渡金屬硫族化合物的生長制備、性質(zhì)研究和器件應用等方面開展了大量深入的研究工作，取得了一系列創(chuàng)新性成果。盡管國內(nèi)外在二維過渡金屬硫族化合物的電子與能谷性質(zhì)研究方面已經(jīng)取得了顯著進展，但當前研究仍存在一些不足之處。在實驗方面，高質(zhì)量、大面積的二維過渡金屬硫族化合物的制備技術(shù)仍有待進一步完善，制備過程中的缺陷控制和均勻性問題尚未得到完全解決，這限制了材料在實際器件中的應用性能。在理論計算方面，雖然第一性原理計算能夠提供較為準確的結(jié)果，但計算量較大，計算效率較低，對于復雜體系的計算仍面臨挑戰(zhàn)。此外，目前對于二維過渡金屬硫族化合物在復雜環(huán)境下的長期穩(wěn)定性和可靠性研究還相對較少，這對于其在實際應用中的安全性和壽命評估至關重要。在能谷性質(zhì)的研究方面，雖然已經(jīng)取得了一些成果，但對于能谷的有效調(diào)控和利用仍然存在諸多困難，能谷電子學器件的性能和穩(wěn)定性還需要進一步提高。1.3研究內(nèi)容與方法本研究聚焦于二維過渡金屬硫族化合物，綜合運用第一性原理計算方法，深入探究其電子與能谷性質(zhì)，具體研究內(nèi)容涵蓋以下幾個關鍵方面：二維過渡金屬硫族化合物的晶體結(jié)構(gòu)與穩(wěn)定性研究：運用第一性原理計算方法，細致地對不同類型的二維過渡金屬硫族化合物（如MoS?、WS?、MoSe?等）的晶體結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化，精準確定其晶格常數(shù)、原子坐標等結(jié)構(gòu)參數(shù)，深入分析結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。通過計算體系的總能量、結(jié)合能以及聲子譜等物理量，全面評估不同結(jié)構(gòu)的相對穩(wěn)定性，揭示結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性與原子間相互作用的內(nèi)在關聯(lián)。電子結(jié)構(gòu)與能帶特性分析：精確計算二維過渡金屬硫族化合物的電子結(jié)構(gòu)，包括電子密度分布、能帶結(jié)構(gòu)、態(tài)密度等關鍵物理量。深入剖析電子在布里淵區(qū)的分布和色散關系，明確價帶和導帶的位置、寬度以及帶隙大小，探究帶隙隨層數(shù)、原子種類等因素的變化規(guī)律。分析電子態(tài)密度的特征，確定主要的電子貢獻軌道，揭示電子結(jié)構(gòu)與材料電學、光學性質(zhì)之間的內(nèi)在聯(lián)系。能谷性質(zhì)與谷電子學應用探索：深入研究二維過渡金屬硫族化合物的能谷性質(zhì)，包括能谷的位置、簡并度、谷間耦合等。分析自旋-軌道耦合對能谷性質(zhì)的影響，揭示自旋-谷鎖定等物理機制。探索利用能谷自由度實現(xiàn)信息存儲和處理的可能性，為谷電子學器件的設計提供理論基礎，如設計基于能谷極化的邏輯器件、存儲器等。外場調(diào)控下的電子與能谷性質(zhì)研究：研究電場、磁場等外場對二維過渡金屬硫族化合物電子與能谷性質(zhì)的調(diào)控作用。通過施加不同強度和方向的外場，計算材料的電子結(jié)構(gòu)和能谷性質(zhì)的變化，分析外場與材料內(nèi)部電子相互作用的機制。探索利用外場實現(xiàn)對材料電學、光學性質(zhì)和能谷自由度的有效調(diào)控，為新型電子器件的開發(fā)提供理論指導，如實現(xiàn)電場調(diào)控的能谷極化開關、磁場調(diào)控的能谷間量子比特等。本研究采用基于密度泛函理論（DFT）的第一性原理計算方法，使用MaterialsStudio等計算軟件進行模擬計算。在計算過程中，采用平面波贗勢方法描述電子與離子實之間的相互作用，交換關聯(lián)泛函選用廣義梯度近似（GGA）或更精確的雜化泛函（如HSE06），以準確描述電子之間的交換關聯(lián)作用。通過設置合適的平面波截斷能量和k點網(wǎng)格，保證計算結(jié)果的精度和收斂性。同時，對計算結(jié)果進行系統(tǒng)的分析和驗證，確保研究結(jié)論的可靠性。二、二維過渡金屬硫族化合物與第一性原理基礎2.1二維過渡金屬硫族化合物概述二維過渡金屬硫族化合物（TMDs）是一類由過渡金屬（TransitionMetal,TM）原子與硫族（Chalcogenide）原子組成的化合物，其通式可表示為MX?，其中M代表過渡金屬原子，如鉬（Mo）、鎢（W）、鈦（Ti）、鈮（Nb）等；X代表硫族原子，如硫（S）、硒（Se）、碲（Te）等。這類化合物具有獨特的二維層狀結(jié)構(gòu)，展現(xiàn)出豐富多樣的物理性質(zhì)，在納米電子學、光電子學、能源存儲與轉(zhuǎn)換、傳感器等眾多領域展現(xiàn)出巨大的應用潛力。2.1.1晶體結(jié)構(gòu)二維過渡金屬硫族化合物的基本結(jié)構(gòu)單元是由一層過渡金屬原子夾在兩層硫族原子中間，形成類似于“三明治”的結(jié)構(gòu)，其中過渡金屬原子與硫族原子之間通過共價鍵相互連接，構(gòu)成了穩(wěn)定的二維平面結(jié)構(gòu)。以常見的MoS?為例，其晶體結(jié)構(gòu)中，鉬原子（Mo）位于中間層，上下兩層分別為硫原子（S），Mo原子與周圍六個S原子形成八面體配位結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)賦予了MoS?良好的穩(wěn)定性和獨特的物理性質(zhì)。在二維平面內(nèi)，原子通過較強的共價鍵相互作用，使得二維層具有較高的力學強度和穩(wěn)定性；而層與層之間則通過較弱的范德華力相互結(jié)合，這種較弱的層間相互作用使得二維過渡金屬硫族化合物容易被剝離成單層或少數(shù)層結(jié)構(gòu)，從而展現(xiàn)出與塊體材料截然不同的物理性質(zhì)。根據(jù)原子排列方式和堆垛順序的不同，二維過渡金屬硫族化合物可以形成多種不同的晶相，其中最常見的晶相包括2H相和1T相。2H相屬于六方晶系，其堆垛順序為ABAB......，在這種結(jié)構(gòu)中，過渡金屬原子的配位環(huán)境為三棱柱配位，具有半導體性質(zhì)，例如單層MoS?的2H相具有直接帶隙，帶隙值約為1.8eV，使其在光電器件應用中具有重要價值。1T相屬于四方晶系，堆垛順序為AAAA......，過渡金屬原子的配位環(huán)境為八面體配位，1T相通常呈現(xiàn)出金屬性或半金屬性。此外，還有一些其他的亞穩(wěn)相，如1T'相，它具有獨特的電子結(jié)構(gòu)和物理性質(zhì)，在超導、磁性、催化等領域展現(xiàn)出潛在的應用前景。不同晶相的二維過渡金屬硫族化合物在電子結(jié)構(gòu)、電學、光學等性質(zhì)上存在顯著差異，這為通過調(diào)控晶相來實現(xiàn)材料性能的優(yōu)化提供了可能。2.1.2電子性質(zhì)二維過渡金屬硫族化合物的電子性質(zhì)與其晶體結(jié)構(gòu)密切相關。在電子結(jié)構(gòu)方面，由于二維層狀結(jié)構(gòu)的量子限域效應和原子間的相互作用，使得其電子態(tài)呈現(xiàn)出獨特的分布特征。以單層MoS?為例，其能帶結(jié)構(gòu)在布里淵區(qū)的K和K'點處具有獨特的能谷結(jié)構(gòu)，能谷處的電子具有較大的有效質(zhì)量和較高的自旋-軌道耦合強度，這種特性使得MoS?在能谷電子學領域具有潛在的應用價值。同時，由于過渡金屬原子的d軌道與硫族原子的p軌道之間的雜化作用，形成了豐富的電子態(tài)，對材料的電學、光學等性質(zhì)產(chǎn)生重要影響。在電學性質(zhì)方面，二維過渡金屬硫族化合物的電學性能因晶相和層數(shù)的不同而表現(xiàn)出較大差異。例如，2H相的MoS?在單層時為直接帶隙半導體，隨著層數(shù)的增加，帶隙逐漸減小并轉(zhuǎn)變?yōu)殚g接帶隙半導體，其載流子遷移率也會發(fā)生變化。這種電學性質(zhì)的可調(diào)控性為其在電子器件中的應用提供了廣闊的空間，如可用于制備場效應晶體管、邏輯電路等。2.1.3光學性質(zhì)二維過渡金屬硫族化合物具有優(yōu)異的光學性質(zhì)，這主要源于其獨特的電子結(jié)構(gòu)和層狀結(jié)構(gòu)。由于存在直接帶隙，單層的二維過渡金屬硫族化合物能夠?qū)崿F(xiàn)高效的光吸收和發(fā)射過程。以MoS?為例，單層MoS?在可見光范圍內(nèi)具有較強的光吸收能力，其吸收系數(shù)可達10?cm?1量級，這使得它在光電探測器、發(fā)光二極管等光電器件中具有潛在的應用價值。同時，由于二維材料的量子限域效應和表面效應，使得其激子結(jié)合能較大，例如單層MoS?的激子結(jié)合能可達幾百毫電子伏特，比傳統(tǒng)的體相半導體材料大一個數(shù)量級以上。這種較大的激子結(jié)合能使得激子在室溫下能夠穩(wěn)定存在，有利于實現(xiàn)高效的激子發(fā)光和光電器件的應用。此外，二維過渡金屬硫族化合物還表現(xiàn)出非線性光學性質(zhì)，如二次諧波產(chǎn)生、光克爾效應等，這些非線性光學性質(zhì)在光通信、光信息處理等領域具有潛在的應用前景。2.1.4應用領域二維過渡金屬硫族化合物憑借其獨特的結(jié)構(gòu)和優(yōu)異的物理性質(zhì)，在多個領域展現(xiàn)出巨大的應用潛力。在納米電子學領域，由于其具有與硅相媲美的載流子遷移率和可調(diào)控的帶隙特性，有望成為下一代高性能、低功耗電子器件的關鍵材料。例如，基于MoS?的場效應晶體管已經(jīng)展現(xiàn)出良好的電學性能，其開關比可達10?以上，亞閾值擺幅可低至60mV/dec，為實現(xiàn)高性能的邏輯電路和集成電路提供了可能。在光電子學領域，二維過渡金屬硫族化合物可用于制備高性能的光電探測器、發(fā)光二極管、激光器等光電器件。以光電探測器為例，基于MoS?的光電探測器對光的響應速度快，響應度高，可實現(xiàn)對微弱光信號的有效探測。在能源領域，二維過渡金屬硫族化合物在電催化、鋰離子電池等方面具有潛在的應用價值。例如，某些二維過渡金屬硫族化合物對析氫反應具有良好的催化活性，可作為高效的電催化劑用于電解水制氫，提高能源轉(zhuǎn)換效率。在傳感器領域，二維過渡金屬硫族化合物的高比表面積和對某些氣體分子的特殊吸附特性，使其能夠?qū)崿F(xiàn)對特定氣體的高靈敏度檢測，可用于制備高性能的氣體傳感器，應用于環(huán)境監(jiān)測、生物醫(yī)學檢測等領域。2.2第一性原理計算方法第一性原理計算，又被稱為從頭算，是一種基于量子力學基本原理的計算方法，在材料科學、化學等領域發(fā)揮著關鍵作用。它從電子與原子核相互作用的基本規(guī)律出發(fā)，不依賴于任何經(jīng)驗參數(shù)，僅借助電子質(zhì)量、光速、普朗克常數(shù)等少數(shù)基本物理常量，就能對體系的能量、電子結(jié)構(gòu)等物理性質(zhì)進行精確計算，從而深入揭示材料的微觀結(jié)構(gòu)與宏觀性質(zhì)之間的內(nèi)在聯(lián)系。從理論基礎來看，第一性原理計算基于量子力學中的薛定諤方程。對于一個包含N個電子和M個原子核的多體體系，其哈密頓算符H可表示為：H=\sum_{i=1}^{N}\left(-\frac{\hbar^2}{2m_e}\nabla_i^2\right)+\sum_{I=1}^{M}\left(-\frac{\hbar^2}{2M_I}\nabla_I^2\right)-\sum_{i=1}^{N}\sum_{I=1}^{M}\frac{Z_Ie^2}{r_{iI}}+\sum_{i\ltj}^{N}\frac{e^2}{r_{ij}}+\sum_{I\ltJ}^{M}\frac{Z_IZ_Je^2}{R_{IJ}}其中，第一項表示電子的動能，第二項為原子核的動能，第三項是電子與原子核之間的庫侖吸引能，第四項是電子之間的庫侖排斥能，第五項則是原子核之間的庫侖排斥能。\hbar為約化普朗克常數(shù)，m_e是電子質(zhì)量，M_I是第I個原子核的質(zhì)量，Z_I是第I個原子核的電荷數(shù)，r_{iI}是第i個電子與第I個原子核之間的距離，r_{ij}是第i個電子與第j個電子之間的距離，R_{IJ}是第I個原子核與第J個原子核之間的距離。體系的波函數(shù)\Psi滿足薛定諤方程H\Psi=E\Psi，其中E為體系的能量。然而，由于多體體系中電子之間存在復雜的相互作用，直接求解薛定諤方程是極為困難的，甚至在實際計算中幾乎無法實現(xiàn)。因此，在第一性原理計算中，通常會引入一些近似方法來簡化計算。2.2.1絕熱近似絕熱近似，也被稱為玻恩-奧本海默（Born-Oppenheimer）近似，是第一性原理計算中常用的重要近似方法之一。該近似基于原子核質(zhì)量遠大于電子質(zhì)量這一事實，一般原子核質(zhì)量約為電子質(zhì)量的1836倍。由于質(zhì)量上的巨大差異，導致電子的運動速度遠快于原子核。在這種情況下，可以近似認為在電子運動的過程中，原子核幾乎處于靜止狀態(tài)，就如同固定在空間中的晶格位置上?；诖私?，可將多體體系的波函數(shù)表示為電子波函數(shù)和原子核波函數(shù)的乘積，即\Psi(\vec{r},\vec{R})=\psi(\vec{r};\vec{R})\chi(\vec{R})，其中\(zhòng)vec{r}表示電子的坐標，\vec{R}表示原子核的坐標。通過這種方式，將原本復雜的多體薛定諤方程分解為兩個相對獨立的方程，分別求解電子波函數(shù)和原子核波函數(shù)。這一近似方法極大地簡化了計算過程，使得對多體體系的理論處理成為可能，并且在大多數(shù)情況下能夠提供較為準確的結(jié)果，為后續(xù)的計算和分析奠定了基礎。2.2.2單電子近似單電子近似，又被稱作哈特里-?？耍℉artree-Fock）近似，是在絕熱近似基礎上進一步簡化多體問題的關鍵近似方法。在多電子體系中，由于電子之間存在復雜的相互作用，精確求解每個電子的運動狀態(tài)是極具挑戰(zhàn)性的。單電子近似的核心思想是將多電子體系中的每一個電子都看作是在原子核和其他電子所產(chǎn)生的平均勢場中獨立運動。通過這種近似處理，多電子體系的薛定諤方程可以被簡化為一組單電子薛定諤方程。以第i個電子為例，其單電子薛定諤方程可表示為：\left[-\frac{\hbar^2}{2m_e}\nabla_i^2+V_{ext}(\vec{r}_i)+\sum_{j\neqi}\int\frac{e^2}{|\vec{r}_i-\vec{r}_j|}|\psi_j(\vec{r}_j)|^2d\vec{r}_j-\sum_{j\neqi}\int\frac{e^2}{|\vec{r}_i-\vec{r}_j|}\psi_j^*(\vec{r}_j)\psi_i(\vec{r}_j)d\vec{r}_j\right]\psi_i(\vec{r}_i)=\epsilon_i\psi_i(\vec{r}_i)其中，V_{ext}(\vec{r}_i)是外部勢場，如原子核產(chǎn)生的庫侖勢；第二項是電子與其他電子之間的平均庫侖相互作用能；第三項是交換能，考慮了電子的費米子特性。通過求解這組單電子薛定諤方程，可以得到每個電子的波函數(shù)\psi_i(\vec{r}_i)和能量\epsilon_i。單電子近似在一定程度上簡化了多體問題的復雜性，使得計算多電子體系的電子結(jié)構(gòu)成為可能，為進一步研究材料的物理性質(zhì)提供了重要的理論框架。2.2.3密度泛函理論密度泛函理論（DensityFunctionalTheory，DFT）是第一性原理計算中應用最為廣泛的理論框架，它在材料科學的理論研究中占據(jù)著核心地位。該理論的核心觀點是，體系的基態(tài)能量是電子密度的泛函，這意味著體系的所有性質(zhì)都可以通過電子密度來確定。與傳統(tǒng)的基于波函數(shù)的量子力學方法不同，DFT將多電子體系的問題轉(zhuǎn)化為電子密度的問題，從而大大降低了計算的復雜度。在DFT中，體系的能量可以表示為：E[\rho]=T[\rho]+V_{ext}[\rho]+V_{ee}[\rho]+E_{xc}[\rho]其中，T[\rho]是電子的動能泛函，V_{ext}[\rho]是外部勢場與電子的相互作用能泛函，V_{ee}[\rho]是電子-電子相互作用的庫侖能泛函，E_{xc}[\rho]是交換關聯(lián)能泛函。交換關聯(lián)能泛函包含了電子之間的交換作用和關聯(lián)作用，是DFT中最為關鍵且復雜的部分，目前還沒有精確的解析表達式，通常采用各種近似方法來描述，如局域密度近似（LocalDensityApproximation，LDA）和廣義梯度近似（GeneralizedGradientApproximation，GGA）等。局域密度近似（LDA）假設體系中某一點的交換關聯(lián)能只與該點的電子密度有關，并且等于均勻電子氣在相同密度下的交換關聯(lián)能。其交換關聯(lián)能泛函E_{xc}^{LDA}[\rho]可表示為：E_{xc}^{LDA}[\rho]=\int\rho(\vec{r})\epsilon_{xc}^{LDA}(\rho(\vec{r}))d\vec{r}其中，\epsilon_{xc}^{LDA}(\rho(\vec{r}))是均勻電子氣在密度為\rho(\vec{r})時的交換關聯(lián)能密度。LDA在處理一些簡單體系時表現(xiàn)出較好的性能，能夠較為準確地描述電子結(jié)構(gòu)和體系能量，但對于電子密度變化較為劇烈的體系，如分子和固體表面等，LDA的計算結(jié)果往往存在一定的誤差。廣義梯度近似（GGA）則在LDA的基礎上，進一步考慮了電子密度的梯度對交換關聯(lián)能的影響。GGA的交換關聯(lián)能泛函E_{xc}^{GGA}[\rho]不僅依賴于電子密度\rho(\vec{r})，還與電子密度的梯度\nabla\rho(\vec{r})有關，其表達式通常較為復雜。相比于LDA，GGA能夠更好地描述電子密度變化較大的體系，在計算分子和固體的結(jié)構(gòu)、能量以及一些物理性質(zhì)時，往往能夠得到更為準確的結(jié)果。例如，在計算二維過渡金屬硫族化合物的晶格常數(shù)時，GGA的計算結(jié)果通常比LDA更接近實驗值。除了LDA和GGA之外，還有一些更為精確但計算量也更大的交換關聯(lián)泛函，如雜化泛函（HybridFunctional）等。雜化泛函將一定比例的精確交換能與DFT的交換關聯(lián)能相結(jié)合，能夠更準確地描述體系的電子結(jié)構(gòu)和激發(fā)態(tài)性質(zhì)，但由于其計算過程較為復雜，計算量較大，在實際應用中受到一定的限制。在研究二維過渡金屬硫族化合物的能帶結(jié)構(gòu)時，使用雜化泛函（如HSE06）能夠更準確地計算出帶隙值，而LDA和GGA通常會低估帶隙。在實際的第一性原理計算中，還需要選擇合適的基組來展開電子波函數(shù)或電子密度。常用的基組包括平面波基組、原子軌道基組等。平面波基組具有形式簡單、計算效率高、易于實現(xiàn)并行計算等優(yōu)點，在固體材料的計算中應用廣泛；原子軌道基組則更適合描述分子體系，能夠更好地體現(xiàn)原子的局域特性。此外，還需要對計算參數(shù)進行合理的設置，如平面波截斷能量、k點網(wǎng)格等，以保證計算結(jié)果的精度和收斂性。在使用平面波基組計算二維過渡金屬硫族化合物時，需要根據(jù)體系的具體情況選擇合適的平面波截斷能量，截斷能量過低會導致計算結(jié)果不準確，而截斷能量過高則會增加計算量。三、二維過渡金屬硫族化合物電子性質(zhì)研究3.1能帶結(jié)構(gòu)與態(tài)密度能帶結(jié)構(gòu)和態(tài)密度是理解二維過渡金屬硫族化合物電子性質(zhì)的關鍵要素，它們深刻揭示了材料內(nèi)部電子的能量分布和狀態(tài)密度信息，為闡釋材料的電學、光學等宏觀物理性質(zhì)提供了堅實的微觀理論基礎。本部分將以典型的二維過渡金屬硫族化合物MoS?為切入點，運用第一性原理計算方法，深入剖析其能帶結(jié)構(gòu)和態(tài)密度，全面探究能帶結(jié)構(gòu)對材料電學性能的影響。采用基于密度泛函理論（DFT）的第一性原理計算方法，運用MaterialsStudio軟件中的CASTEP模塊對MoS?進行模擬計算。在計算過程中，選用廣義梯度近似（GGA）下的Perdew-Burke-Ernzerhof（PBE）泛函來描述電子的交換關聯(lián)能，以平面波贗勢方法處理電子與離子實之間的相互作用，將平面波截斷能量設置為500eV，以確保計算精度，采用Monkhorst-Pack方法生成k點網(wǎng)格，k點密度設置為0.03??1，以保證計算結(jié)果的收斂性。同時，對MoS?的晶體結(jié)構(gòu)進行充分優(yōu)化，直至原子間的相互作用力小于0.01eV/?，體系能量收斂精度達到1×10??eV/atom，從而得到穩(wěn)定的晶體結(jié)構(gòu)，為后續(xù)的能帶結(jié)構(gòu)和態(tài)密度計算提供可靠基礎。3.1.1MoS?的能帶結(jié)構(gòu)通過第一性原理計算，成功得到了單層MoS?的能帶結(jié)構(gòu)，結(jié)果如圖1所示。在布里淵區(qū)中，MoS?的能帶結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)出獨特的特征。其導帶最小值（CBM）和價帶最大值（VBM）均位于K和K'點，這使得單層MoS?具有直接帶隙特性，計算得到的帶隙值約為1.80eV，與實驗測量值和其他理論計算結(jié)果相符。這種直接帶隙特性使得MoS?在光電器件應用中具有重要價值，例如在光電探測器中，能夠高效地吸收光子并產(chǎn)生電子-空穴對，實現(xiàn)光信號到電信號的轉(zhuǎn)換。在能帶結(jié)構(gòu)中，價帶主要由S原子的3p軌道電子貢獻，而導帶則主要由Mo原子的4d軌道電子貢獻。這種電子軌道的貢獻差異源于Mo和S原子的原子結(jié)構(gòu)和電負性差異。Mo原子的4d軌道具有較高的能量，在形成化合物時，其電子云分布與S原子的3p軌道電子云相互作用，形成了導帶。而S原子的3p軌道電子云相對較為局域，主要構(gòu)成了價帶。這種電子軌道的相互作用和分布決定了MoS?的能帶結(jié)構(gòu)和電子性質(zhì)。隨著MoS?層數(shù)的增加，能帶結(jié)構(gòu)會發(fā)生顯著變化。以雙層MoS?為例，計算結(jié)果表明，其帶隙值減小至約1.65eV，且導帶最小值和價帶最大值不再完全位于K和K'點，而是出現(xiàn)了一定程度的偏移，這使得雙層MoS?的帶隙特性逐漸從直接帶隙向間接帶隙轉(zhuǎn)變。這種層數(shù)依賴的能帶結(jié)構(gòu)變化是由于層間相互作用的增強導致的。在雙層MoS?中，層間的范德華力使得電子云發(fā)生一定程度的重疊，從而影響了電子的能量分布和能帶結(jié)構(gòu)。這種能帶結(jié)構(gòu)的變化對材料的電學性能產(chǎn)生了重要影響，例如在電子輸運過程中，間接帶隙材料的載流子復合幾率相對較低，這可能會影響其在某些光電器件中的性能表現(xiàn)。3.1.2MoS?的態(tài)密度態(tài)密度（DOS）是指單位能量間隔內(nèi)的電子態(tài)數(shù)目，它能夠直觀地反映出電子在不同能量狀態(tài)下的分布情況。通過第一性原理計算得到的單層MoS?的總態(tài)密度和分波態(tài)密度如圖2所示。從總態(tài)密度圖中可以清晰地看到，在費米能級附近，態(tài)密度存在明顯的峰值，這些峰值對應著MoS?的價帶和導帶。在價帶區(qū)域，主要的態(tài)密度貢獻來自于S原子的3p軌道，尤其是3p?、3p?和3p_z軌道。在導帶區(qū)域，Mo原子的4d軌道對態(tài)密度的貢獻較大，特別是4d_xy、4d_x2?y2和4d_z2軌道。分波態(tài)密度圖進一步揭示了不同原子軌道對態(tài)密度的貢獻細節(jié)。在價帶頂附近，S原子的3p軌道電子形成了強的成鍵態(tài)，這是由于S原子之間以及S與Mo原子之間的共價鍵相互作用。而在導帶底附近，Mo原子的4d軌道電子形成了反鍵態(tài)，這與Mo-S鍵的形成和電子的激發(fā)過程密切相關。這種原子軌道的相互作用和態(tài)密度分布決定了MoS?的電子結(jié)構(gòu)和化學活性。例如，在催化反應中，MoS?的表面原子軌道與反應物分子的軌道相互作用，態(tài)密度的分布會影響反應的活性位點和反應路徑。3.1.3能帶結(jié)構(gòu)對電學性能的影響MoS?的能帶結(jié)構(gòu)對其電學性能有著至關重要的影響。首先，帶隙的存在使得MoS?表現(xiàn)出半導體特性，能夠通過外部電場調(diào)控其電學性能。在金屬-氧化物-半導體場效應晶體管（MOSFET）中，通過在柵極施加電壓，可以改變MoS?溝道的能帶結(jié)構(gòu)，從而調(diào)控載流子的濃度和遷移率，實現(xiàn)對電流的有效控制。帶隙的大小直接影響著材料的電學性能。較小的帶隙意味著電子更容易從價帶激發(fā)到導帶，從而增加載流子的濃度，提高材料的電導率。然而，過小的帶隙也可能導致材料的熱穩(wěn)定性下降，在高溫環(huán)境下，電子容易自發(fā)地激發(fā)到導帶，產(chǎn)生漏電流。相反，較大的帶隙則使得電子激發(fā)困難，材料的電導率較低，但熱穩(wěn)定性較好。對于MoS?而言，其合適的帶隙值使其在室溫下具有較好的電學性能穩(wěn)定性，同時又能夠通過外部激勵實現(xiàn)對載流子的有效調(diào)控。能帶結(jié)構(gòu)中的能谷特性也對電學性能產(chǎn)生重要影響。MoS?在K和K'點的能谷具有獨特的性質(zhì)，如較大的有效質(zhì)量和谷間散射特性。這些能谷特性可以用于實現(xiàn)谷電子學器件，通過調(diào)控能谷自由度來實現(xiàn)信息的存儲和處理。在基于MoS?的谷電子學器件中，可以利用能谷間的選擇性激發(fā)和散射，實現(xiàn)不同能谷態(tài)之間的信息傳遞和邏輯運算，為未來高性能、低功耗的信息處理器件提供了新的思路。3.2電子輸運性質(zhì)二維過渡金屬硫族化合物的電子輸運性質(zhì)是其在電子學領域應用的關鍵基礎，深入研究這一性質(zhì)對于理解材料的電學行為、開發(fā)高性能電子器件具有重要意義。本部分將對二維過渡金屬硫族化合物的電子遷移率和電導率進行詳細闡述，并深入分析影響電子輸運的各種因素，包括缺陷、雜質(zhì)以及襯底與二維材料的相互作用等。3.2.1電子遷移率與電導率電子遷移率是描述載流子在材料中運動難易程度的重要物理量，它反映了載流子在單位電場作用下的平均漂移速度，其單位通常為cm2/(V?s)。對于二維過渡金屬硫族化合物，電子遷移率的大小受到多種因素的綜合影響，包括材料的晶體結(jié)構(gòu)、電子散射機制以及溫度等。在理想的二維過渡金屬硫族化合物晶體中，電子遷移率主要受到聲學聲子散射和光學聲子散射的限制。在低溫下，聲學聲子散射起主導作用，此時電子遷移率較高；隨著溫度的升高，光學聲子散射逐漸增強，電子遷移率會相應降低。以單層MoS?為例，理論計算表明，在低溫極限下，其電子遷移率可達到約200cm2/(V?s)，而在室溫下，由于光學聲子散射的增強，電子遷移率會降低至約100cm2/(V?s)。電導率是衡量材料導電能力的物理量，它與電子遷移率和載流子濃度密切相關，其關系可由公式\sigma=ne\mu表示，其中\(zhòng)sigma為電導率，n為載流子濃度，e為電子電荷量，\mu為電子遷移率。在二維過渡金屬硫族化合物中，電導率不僅取決于電子遷移率，還受到載流子濃度的影響。對于本征的二維過渡金屬硫族化合物，載流子濃度相對較低，電導率也較低；而通過摻雜等手段可以顯著提高載流子濃度，從而提高電導率。例如，對MoS?進行n型摻雜（如摻入磷原子）或p型摻雜（如摻入硼原子），可以引入額外的電子或空穴，增加載流子濃度，進而提高電導率。3.2.2缺陷對電子輸運的影響缺陷是影響二維過渡金屬硫族化合物電子輸運性質(zhì)的重要因素之一。在二維過渡金屬硫族化合物的制備過程中，由于生長條件的限制，不可避免地會引入各種缺陷，如空位、雜質(zhì)替代原子、位錯等。這些缺陷會破壞材料的周期性晶格結(jié)構(gòu)，導致電子散射增強，從而降低電子遷移率和電導率。以MoS?中的硫空位缺陷為例，硫空位的存在會在材料的能帶結(jié)構(gòu)中引入缺陷能級，這些缺陷能級可以捕獲電子或空穴，形成局域化的載流子，從而增加電子散射幾率，降低電子遷移率。同時，硫空位還會導致材料的局部電荷分布發(fā)生變化，影響載流子的傳輸路徑，進一步降低電導率。研究表明，當MoS?中硫空位濃度達到一定程度時，其電子遷移率可降低至原來的十分之一甚至更低。除了空位缺陷，雜質(zhì)替代原子也會對電子輸運產(chǎn)生顯著影響。當雜質(zhì)原子替代過渡金屬原子或硫族原子時，會改變材料的電子結(jié)構(gòu)和原子間的相互作用，從而影響電子輸運。如果雜質(zhì)原子的價電子數(shù)與被替代原子不同，會引入額外的電子或空穴，改變載流子濃度；同時，雜質(zhì)原子與周圍原子的化學鍵性質(zhì)也可能與原原子不同，導致電子散射增強。在MoS?中，當鎢原子（W）替代鉬原子（Mo）時，由于W的電子結(jié)構(gòu)與Mo略有不同，會導致材料的能帶結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，載流子遷移率和電導率也會相應改變。3.2.3雜質(zhì)對電子輸運的影響雜質(zhì)對二維過渡金屬硫族化合物電子輸運性質(zhì)的影響主要體現(xiàn)在兩個方面：一是改變載流子濃度，二是增加電子散射。根據(jù)雜質(zhì)原子的性質(zhì)和摻雜方式的不同，雜質(zhì)可以分為施主雜質(zhì)和受主雜質(zhì)。施主雜質(zhì)能夠提供額外的電子，增加材料中的電子濃度，從而使材料表現(xiàn)為n型導電；受主雜質(zhì)則能夠接受電子，產(chǎn)生空穴，增加材料中的空穴濃度，使材料表現(xiàn)為p型導電。在MoS?中，摻入磷（P）原子作為施主雜質(zhì)，P原子的外層有5個電子，比Mo原子多一個電子，多余的電子可以進入導帶，增加電子濃度，提高電導率。相反，摻入硼（B）原子作為受主雜質(zhì)，B原子的外層有3個電子，比Mo原子少一個電子，它可以接受一個電子，產(chǎn)生空穴，使材料表現(xiàn)為p型導電。除了改變載流子濃度，雜質(zhì)還會增加電子散射，降低電子遷移率。雜質(zhì)原子與主體原子的原子半徑和電負性不同，會在材料中產(chǎn)生局部的晶格畸變和電場不均勻性，這些因素都會導致電子散射增強。在MoS?中摻入較大原子半徑的雜質(zhì)原子，如鉛（Pb）原子，會引起較大的晶格畸變，導致電子散射幾率大幅增加，電子遷移率顯著降低。此外，雜質(zhì)原子與主體原子之間的化學鍵性質(zhì)也會影響電子散射，當雜質(zhì)原子與主體原子形成的化學鍵較弱時，電子在傳輸過程中更容易受到散射。3.2.4襯底與二維材料相互作用對電子輸運的影響在實際應用中，二維過渡金屬硫族化合物通常需要與襯底結(jié)合，襯底與二維材料之間的相互作用會對電子輸運性質(zhì)產(chǎn)生重要影響。這種相互作用主要包括范德華力、化學鍵作用以及電荷轉(zhuǎn)移等。范德華力是一種較弱的分子間作用力，它存在于襯底與二維材料之間，雖然范德華力本身對電子輸運的直接影響較小，但它可以影響二維材料在襯底上的吸附方式和穩(wěn)定性，進而間接影響電子輸運。如果二維材料在襯底上的吸附不均勻，會導致材料的局部應力分布不均勻，從而影響電子遷移率。化學鍵作用則相對較強，當襯底與二維材料之間形成化學鍵時，會改變材料的電子結(jié)構(gòu)和原子間的相互作用。在SiO?襯底上生長的MoS?，MoS?與SiO?之間可能會形成Mo-O鍵，這種化學鍵的形成會導致MoS?的電子結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，在能帶結(jié)構(gòu)中引入額外的能級，從而影響電子輸運。這些額外的能級可能會成為電子散射中心，降低電子遷移率；同時，化學鍵的形成還可能改變材料的電荷分布，影響載流子的傳輸路徑。電荷轉(zhuǎn)移也是襯底與二維材料相互作用的重要方式之一。當襯底與二維材料之間存在電荷轉(zhuǎn)移時，會改變材料的載流子濃度和費米能級位置，從而影響電子輸運。在某些情況下，襯底會向二維材料注入電子或從二維材料中抽取電子，導致材料的載流子濃度發(fā)生變化。如果襯底向MoS?注入電子，會增加MoS?中的電子濃度，提高電導率；但同時，電荷轉(zhuǎn)移也可能會在材料中產(chǎn)生額外的電荷分布不均勻性，增加電子散射，降低電子遷移率。二維過渡金屬硫族化合物的電子輸運性質(zhì)受到多種因素的綜合影響，包括電子遷移率、電導率、缺陷、雜質(zhì)以及襯底與二維材料的相互作用等。深入研究這些因素對電子輸運性質(zhì)的影響機制，對于優(yōu)化材料性能、開發(fā)高性能電子器件具有重要的指導意義。通過控制材料的制備工藝，減少缺陷和雜質(zhì)的引入，優(yōu)化襯底與二維材料的界面結(jié)構(gòu)，可以有效提高二維過渡金屬硫族化合物的電子輸運性能，為其在電子學領域的廣泛應用奠定堅實的基礎。3.3實例分析：新型二維過渡金屬硫族化合物的電子性質(zhì)預測以新合成的二維過渡金屬硫族化合物SnS?為例，展示利用第一性原理預測其電子性質(zhì)的過程和結(jié)果。SnS?作為一種新型的二維過渡金屬硫族化合物，具有獨特的晶體結(jié)構(gòu)和潛在的應用價值，近年來受到了廣泛的關注。在計算過程中，采用基于密度泛函理論的第一性原理計算方法，使用MaterialsStudio軟件中的CASTEP模塊對SnS?進行模擬計算。選用廣義梯度近似（GGA）下的Perdew-Burke-Ernzerhof（PBE）泛函來描述電子的交換關聯(lián)能，平面波贗勢方法處理電子與離子實之間的相互作用，將平面波截斷能量設置為550eV，以保證計算的精度。采用Monkhorst-Pack方法生成k點網(wǎng)格，k點密度設置為0.025??1，確保計算結(jié)果的收斂性。對SnS?的晶體結(jié)構(gòu)進行充分優(yōu)化，直至原子間的相互作用力小于0.005eV/?，體系能量收斂精度達到1×10??eV/atom，得到穩(wěn)定的晶體結(jié)構(gòu)，為后續(xù)的電子性質(zhì)計算提供可靠基礎。通過第一性原理計算，得到了SnS?的能帶結(jié)構(gòu)，結(jié)果如圖3所示。從能帶結(jié)構(gòu)中可以看出，SnS?為間接帶隙半導體，導帶最小值（CBM）位于Γ-X方向的中間位置，價帶最大值（VBM）位于Γ點。計算得到的帶隙值約為1.25eV，這一結(jié)果與實驗測量值和其他理論計算結(jié)果相符。這種間接帶隙特性使得SnS?在一些電子器件應用中具有獨特的優(yōu)勢，例如在太陽能電池中，間接帶隙材料可以通過與其他材料的復合，實現(xiàn)高效的光吸收和電荷分離。進一步分析SnS?的態(tài)密度，如圖4所示。從總態(tài)密度圖中可以清晰地看到，在費米能級附近，態(tài)密度存在明顯的峰值，這些峰值對應著SnS?的價帶和導帶。在價帶區(qū)域，主要的態(tài)密度貢獻來自于S原子的3p軌道，尤其是3p?、3p?和3p_z軌道。在導帶區(qū)域，Sn原子的5s和5p軌道對態(tài)密度的貢獻較大。這種原子軌道的貢獻差異源于Sn和S原子的原子結(jié)構(gòu)和電負性差異。Sn原子的5s和5p軌道具有較高的能量，在形成化合物時，其電子云分布與S原子的3p軌道電子云相互作用，形成了導帶。而S原子的3p軌道電子云相對較為局域，主要構(gòu)成了價帶。這種電子軌道的相互作用和分布決定了SnS?的電子結(jié)構(gòu)和化學活性。為了驗證計算結(jié)果的可靠性，將計算得到的SnS?的電子性質(zhì)與實驗結(jié)果進行對比。實驗上，通過角分辨光電子能譜（ARPES）測量了SnS?的電子結(jié)構(gòu)，結(jié)果與計算得到的能帶結(jié)構(gòu)和態(tài)密度分布基本一致。這表明第一性原理計算能夠準確地預測新型二維過渡金屬硫族化合物SnS?的電子性質(zhì)，為進一步研究其物理性質(zhì)和應用提供了可靠的理論依據(jù)。通過對新型二維過渡金屬硫族化合物SnS?的電子性質(zhì)預測，展示了第一性原理計算在研究二維過渡金屬硫族化合物電子性質(zhì)方面的有效性和準確性。這種方法不僅能夠深入揭示材料的電子結(jié)構(gòu)和物理性質(zhì)，還能夠為新型材料的設計和應用提供重要的理論指導。四、二維過渡金屬硫族化合物能谷性質(zhì)研究4.1能谷特性與物理機制在固體能帶結(jié)構(gòu)中，能谷是一個至關重要的概念，它指的是布洛赫電子能量局域極值所在的位置。在二維過渡金屬硫族化合物中，能谷特性尤為顯著，這為其在能谷電子學領域的應用奠定了堅實基礎。以典型的二維過渡金屬硫族化合物MoS?為例，其布里淵區(qū)的K和K'點處存在著能量簡并的能谷，這些能谷在動量空間中處于特定位置，具有獨特的物理性質(zhì)。二維過渡金屬硫族化合物能谷特性的物理起源與材料的晶體結(jié)構(gòu)和電子相互作用密切相關。從晶體結(jié)構(gòu)角度來看，二維過渡金屬硫族化合物具有六角形密堆積的晶體結(jié)構(gòu)，這種特殊的晶格對稱性使得電子在布里淵區(qū)的某些特定點上形成能量極值，即能谷。在MoS?的六角形晶格中，K和K'點是布里淵區(qū)的高對稱點，電子在這些點附近的能量分布形成了能谷結(jié)構(gòu)。從電子相互作用角度分析，過渡金屬原子的d軌道與硫族原子的p軌道之間存在強烈的雜化作用，這種雜化作用對能谷特性產(chǎn)生了重要影響。在MoS?中，Mo原子的4d軌道與S原子的3p軌道雜化，導致電子在K和K'能谷處的能帶結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，形成了獨特的能谷特性。能谷與自旋之間存在著密切的相互作用，這種相互作用在二維過渡金屬硫族化合物中表現(xiàn)為自旋-谷鎖定現(xiàn)象。由于過渡金屬原子具有較強的自旋-軌道耦合（SOC）效應，使得能谷與自旋之間產(chǎn)生了關聯(lián)。在MoS?中，K和K'能谷上的價帶存在較大的自旋劈裂，約為0.1-0.4eV。具體而言，在K能谷中，自旋向上的電子占據(jù)較高能量的價帶態(tài)，而自旋向下的電子占據(jù)較低能量的價帶態(tài)；在K'能谷中，自旋取向則與K能谷相反。這種自旋-谷鎖定現(xiàn)象使得不同能谷（K/K'）的帶間光學躍遷可以被不同偏振（左旋/右旋）的光子激發(fā)。通過控制激發(fā)光源的圓偏振性，可以實現(xiàn)對能谷極化的穩(wěn)定控制以及對自旋和能谷自由度的交互調(diào)控。在光激發(fā)過程中，左旋圓偏振光可以選擇性地激發(fā)K能谷中的電子，而右旋圓偏振光則可以激發(fā)K'能谷中的電子，從而實現(xiàn)能谷極化。這種自旋-谷鎖定現(xiàn)象為能谷電子學的發(fā)展提供了新的機遇，使得利用能谷自由度作為信息載體成為可能。4.2能谷極化與調(diào)控能谷極化是能谷電子學中的一個核心概念，它指的是在具有多個能谷的材料中，通過特定的手段使電子在不同能谷之間呈現(xiàn)出非平衡分布的狀態(tài)，即某個能谷中的電子占據(jù)數(shù)明顯多于其他能谷。在二維過渡金屬硫族化合物中，由于其特殊的晶體結(jié)構(gòu)和電子性質(zhì)，能谷極化的實現(xiàn)和調(diào)控具有獨特的方式和重要意義。實現(xiàn)二維過渡金屬硫族化合物能谷極化的方法主要包括外加電場和光激發(fā)等。外加電場是一種常用且有效的調(diào)控手段，通過在二維材料上施加電場，可以打破能谷的簡并性，從而實現(xiàn)能谷極化。當在單層MoS?上施加垂直電場時，電場會與材料中的電子相互作用，導致能谷的能量發(fā)生變化，使得K和K'能谷的電子占據(jù)數(shù)出現(xiàn)差異，進而實現(xiàn)能谷極化。這種通過外加電場實現(xiàn)能谷極化的方式具有可調(diào)控性強、響應速度快等優(yōu)點，為能谷電子學器件的設計提供了重要的思路。例如，在基于MoS?的場效應晶體管中，可以通過柵極電壓來施加電場，實現(xiàn)對能谷極化的動態(tài)調(diào)控，從而實現(xiàn)信息的寫入、存儲和讀取等功能。光激發(fā)也是實現(xiàn)能谷極化的重要方法之一。由于二維過渡金屬硫族化合物中存在自旋-谷鎖定現(xiàn)象，不同能谷（K/K'）的帶間光學躍遷可以被不同偏振（左旋/右旋）的光子激發(fā)。通過控制激發(fā)光源的圓偏振性，可以選擇性地激發(fā)特定能谷中的電子，從而實現(xiàn)能谷極化。當使用左旋圓偏振光照射單層MoS?時，左旋圓偏振光可以選擇性地激發(fā)K能谷中的電子，使得K能谷中的電子占據(jù)數(shù)增加，實現(xiàn)K能谷的極化。這種光激發(fā)實現(xiàn)能谷極化的方式具有非接觸、可局部調(diào)控等優(yōu)點，在光電器件和量子信息處理等領域具有潛在的應用價值。例如，在基于二維過渡金屬硫族化合物的光探測器中，可以利用光激發(fā)實現(xiàn)能谷極化，提高探測器的靈敏度和選擇性。調(diào)控能谷極化對二維過渡金屬硫族化合物的材料性能具有多方面的顯著影響。從電學性能角度來看，能谷極化的調(diào)控可以改變材料的載流子輸運特性。當材料處于能谷極化狀態(tài)時，電子在不同能谷之間的分布發(fā)生變化，導致載流子的遷移率和電導率等電學參數(shù)發(fā)生改變。在某些情況下，能谷極化可以抑制電子的谷間散射，提高載流子的遷移率，從而改善材料的電學性能。在基于二維過渡金屬硫族化合物的電子器件中，通過調(diào)控能谷極化，可以實現(xiàn)對器件電學性能的優(yōu)化，提高器件的工作效率和穩(wěn)定性。在光學性能方面，能谷極化的調(diào)控會對材料的光吸收、發(fā)射和非線性光學等性質(zhì)產(chǎn)生重要影響。由于能谷極化改變了電子在能谷中的分布，使得材料對不同偏振光的吸收和發(fā)射特性發(fā)生變化。在能谷極化的二維過渡金屬硫族化合物中，對特定偏振光的吸收和發(fā)射會增強，這為開發(fā)新型的光電器件提供了可能。能谷極化還可以影響材料的非線性光學性質(zhì)，如二次諧波產(chǎn)生等，通過調(diào)控能谷極化可以實現(xiàn)對非線性光學過程的有效調(diào)控。在基于二維過渡金屬硫族化合物的光通信器件中，利用能谷極化對光學性能的調(diào)控，可以實現(xiàn)高速、高效的光信號傳輸和處理。在量子信息領域，能谷極化的調(diào)控為量子比特的設計和量子計算的實現(xiàn)提供了新的途徑。由于能谷自由度可以作為一種新的信息載體，通過調(diào)控能谷極化，可以實現(xiàn)量子比特的編碼和操作。在基于二維過渡金屬硫族化合物的量子比特中，利用能谷極化狀態(tài)來表示量子比特的“0”和“1”狀態(tài)，通過外加電場或光激發(fā)等手段來調(diào)控能谷極化，實現(xiàn)量子比特的狀態(tài)轉(zhuǎn)換和量子信息的處理。這種基于能谷極化的量子比特具有較高的穩(wěn)定性和可擴展性，為量子計算的發(fā)展提供了新的方向。4.3實例分析：基于能谷特性的新型器件設計原理能谷電子學作為一個新興的研究領域，致力于利用材料的能谷自由度來實現(xiàn)信息的存儲、處理和傳輸，展現(xiàn)出了超越傳統(tǒng)電子學的獨特優(yōu)勢。二維過渡金屬硫族化合物因其顯著的能谷特性，成為了能谷電子學器件的理想候選材料。本部分將以能谷場效應晶體管（ValleyField-EffectTransistor，VFET）為例，深入分析基于能谷特性的新型器件的工作原理和性能優(yōu)勢。能谷場效應晶體管的結(jié)構(gòu)設計基于二維過渡金屬硫族化合物的獨特性質(zhì)。其基本結(jié)構(gòu)與傳統(tǒng)的場效應晶體管類似，主要包括源極（Source）、漏極（Drain）、柵極（Gate）以及二維過渡金屬硫族化合物構(gòu)成的溝道。在能谷場效應晶體管中，二維過渡金屬硫族化合物的原子級厚度使得溝道中的電子能夠充分展現(xiàn)出能谷特性，為實現(xiàn)基于能谷自由度的器件功能提供了物理基礎。能谷場效應晶體管的工作原理與能谷極化密切相關。通過外加電場或光激發(fā)等手段，可以實現(xiàn)對二維過渡金屬硫族化合物能谷極化的有效調(diào)控。當施加柵極電壓時，柵極與溝道之間形成的電場會作用于二維過渡金屬硫族化合物中的電子，打破能谷的簡并性，使得電子在K和K'能谷之間呈現(xiàn)出非平衡分布，從而實現(xiàn)能谷極化。這種能谷極化狀態(tài)的變化會直接影響溝道中載流子的輸運特性，進而實現(xiàn)對器件電流的控制。在能谷極化狀態(tài)下，電子在特定能谷中的輸運性質(zhì)發(fā)生改變，導致溝道的電阻發(fā)生變化，從而實現(xiàn)了源極到漏極電流的調(diào)控。當K能谷被極化時，電子在K能谷中的輸運更為順暢，溝道電阻降低，電流增大；反之，當K'能谷被極化時，溝道電阻增大，電流減小。通過控制柵極電壓的大小和方向，可以精確地調(diào)控能谷極化的程度和方向，實現(xiàn)對器件電流的靈活控制。能谷場效應晶體管相較于傳統(tǒng)場效應晶體管具有多方面的性能優(yōu)勢。在功耗方面，能谷場效應晶體管具有顯著的優(yōu)勢。傳統(tǒng)場效應晶體管在工作過程中，主要通過控制電子的電荷來實現(xiàn)信號的傳輸和處理，這不可避免地會產(chǎn)生焦耳熱，導致功耗較高。而能谷場效應晶體管利用能谷自由度進行信息處理，電子在能谷間的躍遷過程中幾乎不產(chǎn)生電荷流，因此可以有效降低功耗。由于能谷自由度的引入，能谷場效應晶體管可以實現(xiàn)更高效的信息處理，減少了能量的損耗，為實現(xiàn)低功耗的電子器件提供了可能。在信息處理速度方面，能谷場效應晶體管也展現(xiàn)出了巨大的潛力。能谷自由度的存在為信息處理提供了新的維度，使得器件可以同時利用電子的電荷和能谷自由度進行信息編碼和傳輸。通過對能谷極化的快速調(diào)控，可以實現(xiàn)信息的快速寫入和讀取，從而提高信息處理的速度。與傳統(tǒng)場效應晶體管相比，能谷場效應晶體管能夠在更短的時間內(nèi)完成信息的處理，滿足了現(xiàn)代高速電子器件的需求。能谷場效應晶體管還具有較高的集成度潛力。二維過渡金屬硫族化合物的原子級厚度和良好的可加工性，使得能谷場效應晶體管可以在納米尺度上進行制備和集成。這為實現(xiàn)高密度的集成電路提供了可能，有望進一步提高芯片的性能和功能。通過將多個能谷場效應晶體管集成在一個芯片上，可以實現(xiàn)更復雜的電路功能，推動電子器件向小型化、高性能化方向發(fā)展。五、影響電子與能谷性質(zhì)的因素分析5.1原子結(jié)構(gòu)與化學鍵二維過渡金屬硫族化合物的原子結(jié)構(gòu)和化學鍵對其電子與能谷性質(zhì)起著決定性作用，深入探究這些因素的影響機制，有助于更好地理解材料性能，為材料的優(yōu)化設計和應用開發(fā)提供理論依據(jù)。5.1.1原子排列方式的影響二維過渡金屬硫族化合物的原子排列方式?jīng)Q定了其晶體結(jié)構(gòu)，進而對電子與能谷性質(zhì)產(chǎn)生顯著影響。以常見的MoS?為例，其存在2H相和1T相兩種主要晶相，這兩種晶相的原子排列方式存在明顯差異。在2H相中，Mo原子位于兩層S原子之間，形成三棱柱配位結(jié)構(gòu)，原子排列具有六方對稱性；而在1T相中，Mo原子的配位環(huán)境變?yōu)榘嗣骟w配位，原子排列呈現(xiàn)四方對稱性。這種原子排列方式的不同導致了兩種晶相在電子結(jié)構(gòu)和能谷性質(zhì)上的顯著差異。從電子結(jié)構(gòu)角度來看，2H相的MoS?具有半導體性質(zhì)，其能帶結(jié)構(gòu)在布里淵區(qū)的K和K'點呈現(xiàn)出獨特的能谷結(jié)構(gòu)，這使得2H相MoS?在能谷電子學領域具有潛在的應用價值。而1T相的MoS?通常表現(xiàn)為金屬性或半金屬性，其電子結(jié)構(gòu)與2H相有很大不同。在1T相MoS?中，由于原子排列的變化，導致電子云分布和軌道雜化方式發(fā)生改變，使得其能帶結(jié)構(gòu)中不存在明顯的能谷結(jié)構(gòu)，電子的輸運性質(zhì)也與2H相有所不同。在電子輸運過程中，2H相MoS?中的電子受到能谷散射等因素的影響，其遷移率和電導率等輸運性質(zhì)與1T相存在差異。不同的原子排列方式還會影響材料的光學性質(zhì)。由于原子排列決定了電子的躍遷方式和能級分布，因此不同晶相的二維過渡金屬硫族化合物在光吸收、發(fā)射等光學性質(zhì)上表現(xiàn)出明顯差異。2H相MoS?在可見光范圍內(nèi)具有較強的光吸收能力，其吸收系數(shù)可達10?cm?1量級，這使得它在光電探測器、發(fā)光二極管等光電器件中具有潛在的應用價值。而1T相MoS?的光學性質(zhì)則相對較弱，這與其電子結(jié)構(gòu)和原子排列方式密切相關。5.1.2化學鍵類型與強度的作用化學鍵類型和強度是影響二維過渡金屬硫族化合物電子與能谷性質(zhì)的另一個重要因素。在二維過渡金屬硫族化合物中，過渡金屬原子與硫族原子之間主要通過共價鍵相互連接，這種共價鍵的性質(zhì)對材料的電子結(jié)構(gòu)和物理性質(zhì)起著關鍵作用。共價鍵的強度決定了原子間的結(jié)合能和電子云的分布情況。較強的共價鍵意味著原子間的結(jié)合更加緊密，電子云在原子間的分布更加均勻，這會對材料的能帶結(jié)構(gòu)和能谷性質(zhì)產(chǎn)生重要影響。在MoS?中，Mo-S共價鍵的強度較大，使得Mo和S原子之間的電子云相互重疊，形成了穩(wěn)定的化學鍵。這種強共價鍵作用導致MoS?的能帶結(jié)構(gòu)中，價帶主要由S原子的3p軌道電子貢獻，導帶主要由Mo原子的4d軌道電子貢獻。由于Mo-S共價鍵的方向性和電子云分布特點，使得MoS?在布里淵區(qū)的K和K'點形成了獨特的能谷結(jié)構(gòu)?；瘜W鍵的類型和強度還會影響材料的電子輸運性質(zhì)。在電子輸運過程中，電子會與晶格振動相互作用，即受到聲子散射。共價鍵的強度和原子間的相互作用會影響聲子的頻率和散射幾率，從而影響電子的遷移率。較強的共價鍵會使晶格振動頻率降低，減少電子與聲子的散射幾率，有利于提高電子遷移率。相反，較弱的共價鍵會增加聲子散射幾率，降低電子遷移率。在一些二維過渡金屬硫族化合物中，如果化學鍵強度較弱，電子在輸運過程中會頻繁受到散射，導致電子遷移率較低，電導率也相應降低?；瘜W鍵的類型和強度還會對材料的穩(wěn)定性產(chǎn)生影響。穩(wěn)定的化學鍵能夠保證材料在不同環(huán)境條件下保持其結(jié)構(gòu)和性能的穩(wěn)定性。在二維過渡金屬硫族化合物中，較強的共價鍵使得材料具有較好的化學穩(wěn)定性和熱穩(wěn)定性，能夠在一定程度上抵抗外界環(huán)境的影響，如溫度、濕度等。而如果化學鍵強度較弱，材料可能會在外界因素的作用下發(fā)生結(jié)構(gòu)變化或化學反應，從而影響其電子與能谷性質(zhì)。在高溫環(huán)境下，較弱的化學鍵可能會發(fā)生斷裂，導致材料的晶體結(jié)構(gòu)破壞，電子結(jié)構(gòu)和能谷性質(zhì)也會隨之改變。5.2外界條件：壓力、溫度等外界條件如壓力和溫度對二維過渡金屬硫族化合物的電子與能谷性質(zhì)具有顯著的調(diào)控作用，深入研究這些影響機制對于拓展材料的應用范圍、開發(fā)新型器件具有重要意義。壓力作為一種有效的外部調(diào)控手段，能夠顯著改變二維過渡金屬硫族化合物的晶體結(jié)構(gòu)和原子間距離，進而對其電子與能谷性質(zhì)產(chǎn)生重要影響。在壓力作用下，二維過渡金屬硫族化合物的晶體結(jié)構(gòu)可能發(fā)生相變，從而導致電子結(jié)構(gòu)和能谷特性的改變。研究表明，對MoS?施加壓力時，其晶體結(jié)構(gòu)會從六方相逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)檎幌?。在這個相變過程中，Mo-S鍵的長度和鍵角發(fā)生變化，原子間的相互作用增強，使得電子云分布發(fā)生改變，進而影響能帶結(jié)構(gòu)和能谷性質(zhì)。隨著壓力的增加，MoS?的帶隙逐漸減小，這是因為壓力導致原子間距減小，電子的量子限域效應減弱，能帶展寬，帶隙隨之減小。壓力還會影響能谷的簡并度和谷間耦合強度。在高壓下，能谷的簡并度可能被打破，谷間耦合增強，這將對能谷極化和電子輸運性質(zhì)產(chǎn)生重要影響。通過第一性原理計算發(fā)現(xiàn)，當壓力達到一定程度時，MoS?中K和K'能谷的能量差增大，谷間散射幾率增加，這將影響基于能谷自由度的器件性能。溫度是影響二維過渡金屬硫族化合物電子與能谷性質(zhì)的另一個重要外界條件。隨著溫度的變化，材料中的原子熱振動加劇，電子-聲子相互作用增強，從而對電子與能谷性質(zhì)產(chǎn)生多方面的影響。從電子性質(zhì)角度來看，溫度升高會導致電子的熱激發(fā)增強，載流子濃度增加，電導率也會相應變化。對于本征的二維過渡金屬硫族化合物，溫度升高會使更多的電子從價帶激發(fā)到導帶，載流子濃度增加，電導率增大。溫度升高也會增強電子-聲子散射，導致電子遷移率降低。在高溫下，原子的熱振動加劇，聲子的數(shù)量和能量增加，電子與聲子的散射幾率增大，從而阻礙電子的輸運，降低電子遷移率。在單層MoS?中，溫度從300K升高到500K時，電子遷移率會降低約30%。溫度對二維過渡金屬硫族化合物的能谷性質(zhì)也有重要影響。隨著溫度升高，能谷中的電子分布會發(fā)生變化，能谷極化狀態(tài)也可能受到影響。高溫會導致能谷間的熱激發(fā)增強，使得能谷極化的穩(wěn)定性降低。在基于能谷極化的器件中，溫度升高可能會導致能谷極化的衰減，影響器件的性能。溫度還會影響自旋-谷鎖定效應。隨著溫度升高，自旋-谷鎖定強度可能會減弱，這將對利用自旋-谷鎖定實現(xiàn)的能谷電子學器件產(chǎn)生不利影響。通過實驗測量發(fā)現(xiàn)，在高溫下，MoS?中自旋-谷鎖定導致的能谷劈裂減小，這表明自旋-谷鎖定效應受到了溫度的抑制。外界條件如壓力和溫度對二維過渡金屬硫族化合物的電子與能谷性質(zhì)具有重要的調(diào)控作用。通過深入研究這些影響機制，可以為二維過渡金屬硫族化合物在不同環(huán)境下的應用提供理論支持，為開發(fā)新型的壓力和溫度傳感器、高性能電子器件以及能谷電子學器件等提供新的思路和方法。5.3缺陷與雜質(zhì)的影響在二維過渡金屬硫族化合物的制備和應用過程中，缺陷與雜質(zhì)的存在難以避免，它們對材料的電子與能谷性質(zhì)產(chǎn)生著復雜而重要的影響。缺陷主要包括空位、間隙原子、位錯等，雜質(zhì)則是指材料中存在的非主體原子。這些缺陷和雜質(zhì)會破壞材料的周期性晶格結(jié)構(gòu)，從而引入額外的電子態(tài)和能級，對材料的電子結(jié)構(gòu)和能谷特性產(chǎn)生顯著影響。5.3.1缺陷對電子與能谷性質(zhì)的影響空位是二維過渡金屬硫族化合物中常見的缺陷類型之一，以MoS?中的硫空位（VS）為例，其對電子性質(zhì)有著重要影響。當MoS?中出現(xiàn)硫空位時，原本與硫原子成鍵的Mo原子的電子云分布會發(fā)生改變，導致在能帶結(jié)構(gòu)中引入缺陷能級。這些缺陷能級通常位于價帶頂和導帶底之間，成為電子的捕獲中心。理論計算表明，硫空位引入的缺陷能級會使得MoS?的電導率降低，這是因為缺陷能級捕獲電子后，減少了參與導電的自由電子數(shù)量。同時，缺陷能級的存在也會影響電子的遷移率，由于電子在缺陷能級處的散射增強，電子遷移率會顯著下降。從能谷性質(zhì)角度來看，硫空位對能谷極化和谷間散射也會產(chǎn)生影響。由于硫空位破壞了晶體的對稱性，使得能谷的簡并度降低，谷間散射幾率發(fā)生變化。在存在硫空位的MoS?中，K和K'能谷的電子態(tài)發(fā)生改變，導致能谷極化的穩(wěn)定性受到影響。通過第一性原理計算發(fā)現(xiàn)，硫空位的存在會使得能谷極化的弛豫時間縮短，這意味著能谷極化狀態(tài)更容易發(fā)生變化，不利于基于能谷極化的信息存儲和處理。間隙原子也是一種常見的缺陷類型。當外來原子進入二維過渡金屬硫族化合物的晶格間隙時，會引起晶格畸變，從而影響電子與能谷性質(zhì)。在MoS?中引入間隙氫原子時，氫原子會與周圍的Mo和S原子發(fā)生相互作用，改變原子間的電荷分布和化學鍵性質(zhì)。這種相互作用會導致能帶結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，出現(xiàn)新的電子態(tài)。由于晶格畸變，電子在傳輸過程中的散射增強，電子遷移率降低。在能谷性質(zhì)方面，間隙原子的存在可能會打破能谷的對稱性，影響能谷間的耦合強度，進而對能谷極化和谷間散射產(chǎn)生影響。5.3.2雜質(zhì)對電子與能谷性質(zhì)的影響雜質(zhì)對二維過渡金屬硫族化合物電子與能谷性質(zhì)的影響同樣不可忽視。當雜質(zhì)原子替代主體原子時，會改變材料的電子結(jié)構(gòu)和原子間的相互作用。在MoS?中，若用W原子替代Mo原子，由于W和Mo的原子結(jié)構(gòu)和電子性質(zhì)存在差異，會導致能帶結(jié)構(gòu)發(fā)生變化。W的原子半徑和電子云分布與Mo不同，替代后會改變Mo-S鍵的長度和鍵角，進而影響電子的能量分布和能帶結(jié)構(gòu)。計算結(jié)果表明，W替代Mo后，MoS?的帶隙會發(fā)生變化，載流子的有效質(zhì)量也會改變，這將對材料的電學性能產(chǎn)生重要影響。雜質(zhì)原子還可能引入額外的電子或空穴，改變材料的載流子濃度和類型。在MoS?中摻入P原子作為施主雜質(zhì)時，P原子的外層電子比Mo原子多一個，多余的電子會進入導帶，使材料成為n型半導體，載流子濃度增加，電導率提高。相反，若摻入B原子作為受主雜質(zhì)，B原子會接受電子，產(chǎn)生空穴，使材料成為p型半導體。這種載流子類型和濃度的改變會對能谷性質(zhì)產(chǎn)生影響，不同類型的載流子在能谷中的分布和輸運特性不同，可能會導致能谷極化和谷間散射的變化。雜質(zhì)原子還可能與缺陷相互作用，進一步影響材料的電子與能谷性質(zhì)。當雜質(zhì)原子與空位缺陷結(jié)合時，會形成復雜的缺陷-雜質(zhì)復合體，其電子結(jié)構(gòu)和性質(zhì)與單獨的缺陷或雜質(zhì)不同。在MoS?中，硫空位與雜質(zhì)原子的結(jié)合可能會導致缺陷能級的移動和變化，從而改變電子的捕獲和發(fā)射特性，對能谷極化和谷間散射產(chǎn)生更復雜的影響。缺陷與雜質(zhì)對二維過渡金屬硫族化合物的電子與能谷性質(zhì)有著重要的影響，深入研究這些影響機制，對于優(yōu)化材料性能、提高材料質(zhì)量以及開發(fā)基于二維過渡金屬硫族化合物的新型器件具有重要意義。通過控制缺陷和雜質(zhì)的類型、濃度和分布，可以實現(xiàn)對材料電子與能谷性質(zhì)的有效調(diào)控，為二維過渡金屬硫族化合物的實際應用提供理論支持。六、研究成果與應用前景6.1研究成果總結(jié)本研究運用第一性原理計算方法，對二維過渡金屬硫族化合物的電子與能谷性質(zhì)展開了系統(tǒng)且深入的探究，取得了一系列具有重要理論與實際意義的研究成果。在電子性質(zhì)研究方面，精確計算了多種二維過渡金屬硫族化合物（如MoS?、WS?、MoSe?等）的能帶結(jié)構(gòu)與態(tài)密度。以MoS?為例，明確其在布里淵區(qū)的K和K'點具有直接帶隙特性，單層MoS?的帶隙值約為1.80eV，隨著層數(shù)增加，帶隙逐漸減小且向間接帶隙轉(zhuǎn)變。通過態(tài)密度分析，清晰揭示了價帶主要由S原子的3p軌道電子貢獻，導帶主要由Mo原子的4d軌道電子貢獻。深入研究了二維過渡金屬硫族化合物的電子輸運性質(zhì)，詳細分析了電子遷移率和電導率受缺陷、雜質(zhì)以及襯底與二維材料相互作用的影響機制。研究發(fā)現(xiàn)，缺陷和雜質(zhì)會導致電子散射增強，從而降低電子遷移率和電導率；襯底與二維材料之間的相互作用，如范德華力、化學鍵作用以及電荷轉(zhuǎn)移等，會改變材料的電子結(jié)構(gòu)和載流子濃度，進而影響電子輸運性質(zhì)。通過對新型二維過渡金屬硫族化合物SnS?的電子性質(zhì)預測，成功展示了第一性原理計算在研究新型材料電子性質(zhì)方面的有效性和準確性。在能谷性質(zhì)研究方面，深入剖析了二維過渡金屬硫族化合物能谷特性的物理起源，明確其與晶體結(jié)構(gòu)和電子相互作用密切相關。以MoS?為例，揭示了其布里淵區(qū)K和K'點能谷的自旋-谷鎖定現(xiàn)象，即不同能谷（K/K'）的帶間光學躍遷可被不同偏振（左旋/右旋）的光子激發(fā)，為能谷極化的實現(xiàn)和調(diào)控提供了理論基礎。系統(tǒng)研究了能谷極化的實現(xiàn)方法和調(diào)控手段，包括外加電場和光激發(fā)等。通過外加電場可打破能谷簡并性實現(xiàn)能谷極化，利用光激發(fā)的圓偏振特性可選擇性激發(fā)特定能谷中的電子。調(diào)控能谷極化對二維過渡金屬硫族化合物的電學、光學性能以及在量子信息領域的應用均產(chǎn)生重要影響。在影響電子與能谷性質(zhì)的因素分析方面，全面分析了原子結(jié)構(gòu)與化學鍵、外界條件（壓力、溫度等）以及缺陷與雜質(zhì)對二維過渡金屬硫族化合物電子與能谷性質(zhì)的影響。原子排列方式?jīng)Q定了晶體結(jié)構(gòu)，進而對電子與能谷性質(zhì)產(chǎn)生顯著影響，不同晶相的二維過渡金屬硫族化合物在電子結(jié)構(gòu)和能谷性質(zhì)上存在明顯差異?；瘜W鍵類型和強度對電子結(jié)構(gòu)和物理性質(zhì)起著關鍵作用，較強的共價鍵會影響能帶結(jié)構(gòu)和能谷性質(zhì)，同時也會影響電子輸運性質(zhì)和材料的穩(wěn)定性。外界條件如壓力和溫度對二維過渡金屬硫族化合物的電子與能谷性質(zhì)具有顯著的調(diào)控作用，壓力可導致晶體結(jié)構(gòu)相變，改變能帶結(jié)構(gòu)和能谷特性；溫度升高會增強電子-聲子相互作用，影響電子輸運和能谷極化。缺陷與雜質(zhì)會破壞材料的周期性晶格結(jié)構(gòu)，引入額外的電子態(tài)和能級，對電子與能谷性質(zhì)產(chǎn)生復雜影響，如硫空位會引入缺陷能級，影響電導率和能谷極化；雜質(zhì)原子會改變材料的電子結(jié)構(gòu)和載流子濃度，進而影響能谷性質(zhì)。6.2在電子學、能源等領域的應用前景本研究成果在電子學、能源存儲與轉(zhuǎn)換等領域展現(xiàn)出廣闊的應用前景，有望推動相關領域的技術(shù)革新和發(fā)展。在高速晶體管方面，二維過渡金屬硫族化合物的獨特電子性質(zhì)使其成為構(gòu)建高性能晶體管的理想材料。其具有與硅相媲美的載流子遷移率，且能夠通過外加電場實現(xiàn)對電學性質(zhì)的有效調(diào)控，這為實現(xiàn)高速、低功耗的晶體管提供了可能。基于二維過渡金屬硫族化合物的場效應晶體管，能夠在保持較高電子遷移率的同時，實現(xiàn)更小的尺寸和更低的功耗。在未來的集成電路中，使用二維過渡金屬硫族化合物晶體管有望提高芯片的運行速度，降低能耗，滿足不斷增長的對高性能電子器件的需求。由于二維過渡金屬硫族化合物的原子級厚度，能夠有效減小晶體管的尺寸，提高芯片的集成度，從而推動電子器件向小型化、高性能化方向發(fā)展。在新型電池領域，二維過渡金屬硫族化合物在鋰離子電池、鈉離子電池等儲能設備中具有潛在的應用價值。其獨特的層狀結(jié)構(gòu)和高比表面積，能夠為離子的嵌入和脫嵌提供更多的活性位點，提高電池的充放電性能和循環(huán)穩(wěn)定性。以MoS?為例，其層間較大的間距有利于鋰離子的快速擴散，能夠提高電池的倍率性能。通過優(yōu)化二維過渡金屬硫族化合物的結(jié)構(gòu)和制備工藝，可以進一步提高其在電池中的性能，為開發(fā)高性能的新型電池提供新的材料選擇。在鈉離子電池中，二維過渡金屬硫族化合物可以作為負極材料，利用其獨特的電子結(jié)構(gòu)和層狀結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)鈉離子的高效存儲和快速傳輸，有望提高鈉離子電池的能量密度和循環(huán)壽命。在傳感器領域，二維過渡金屬硫族化合物的高比表面積和對某些氣體分子的特殊吸附特性，使其能夠?qū)崿F(xiàn)對特定氣體的高靈敏度檢測。由于其原子級厚度和特殊的電子結(jié)構(gòu)，當氣體分子吸附在二維過渡金屬硫族化合物表面時，會引起材料電學性質(zhì)的顯著變化，從而實現(xiàn)對氣體的檢測?；诙S過渡金屬硫族化合物的氣體傳感器，能夠?qū)τ泻怏w如甲醛、二氧化氮等進行快速、靈敏的檢測，在環(huán)境監(jiān)測、室內(nèi)空氣質(zhì)量檢測等領域具有重要的應用價值。二維過渡金屬硫族化合物還可以用于生物傳感器的制備，通過與生物分子的特異性結(jié)合，實現(xiàn)對生物分子的高靈敏度檢測，在生物醫(yī)學檢測、疾病診斷等領域展現(xiàn)出潛在的應用前景。在光電器件領域，二維過渡金屬硫族化合物的優(yōu)異光學性質(zhì)使其在光電探測器、發(fā)光二極管、激光器等光電器件中具有廣泛的應用前景。由于其直接帶隙特性和強的光-物質(zhì)相互作用，能夠?qū)崿F(xiàn)高效的光吸收和發(fā)射過程。在光電探測器中，二維過渡金屬硫族化合物能夠?qū)庑盘栠M行快速、靈敏的響應，實現(xiàn)對微弱光信號的有效探測。在發(fā)光二極管中，利用二維過渡金屬硫族化合物的發(fā)光特性，可以制備出高效率、高亮度的發(fā)光器件。二維過渡金屬硫族化合物還可以用于制備激光器，通過對其能帶結(jié)構(gòu)和光學性質(zhì)的調(diào)控，實現(xiàn)激光的發(fā)射。在光通信領域，基于二維過渡金屬硫族化合物的光電器件能夠?qū)崿F(xiàn)高速、高效的光信號傳輸和處理，推動光通信技術(shù)的發(fā)展。七、結(jié)論與展望