基于第一性原理：壓強(qiáng)對(duì)WTe2電子與光學(xué)性質(zhì)的影響探究一、引言1.1研究背景材料作為人類生活和生產(chǎn)的物質(zhì)基礎(chǔ)，是推動(dòng)人類社會(huì)進(jìn)步的關(guān)鍵力量。從舊石器時(shí)代人類對(duì)天然材料的簡單利用，到新石器時(shí)代、銅器時(shí)代和鐵器時(shí)代，人類借助火對(duì)天然材料進(jìn)行加工，再到20世紀(jì)利用物理與化學(xué)原理合成材料，以及后來材料的復(fù)合化和智能化階段，材料的發(fā)展歷程與人類文明的演進(jìn)緊密相連。在現(xiàn)代，材料科學(xué)更是成為多學(xué)科交叉融合的重要領(lǐng)域，對(duì)電子、能源、醫(yī)療等眾多行業(yè)的發(fā)展起著決定性作用。二維材料作為材料科學(xué)領(lǐng)域的新興研究熱點(diǎn)，自2004年單層石墨烯被發(fā)現(xiàn)以來，極大地顛覆了人類對(duì)材料的傳統(tǒng)認(rèn)知。在過去的20年里，二維材料家族迅速壯大，目前實(shí)驗(yàn)可獲得的二維材料達(dá)數(shù)百種，理論預(yù)測的更是近2000種。這些材料具有獨(dú)特的原子級(jí)厚度和無懸掛鍵表面結(jié)構(gòu)，在極端物理尺度下仍能保持優(yōu)異的電子性能，展現(xiàn)出許多體材料所不具備的新奇物理特性，如高載流子遷移率、可調(diào)帶隙等，在高速電子學(xué)、低功耗電子學(xué)、磁存儲(chǔ)器、量子計(jì)算等領(lǐng)域展現(xiàn)出廣闊的應(yīng)用前景。碲化鎢（WTe?）作為一種新型二維過渡金屬碲化物材料，屬于非自旋極化的第二類拓?fù)浒虢饘佟Ｋ哂歇?dú)特的晶體結(jié)構(gòu)，層間距較小，使得電子在層間運(yùn)動(dòng)時(shí)遇到的散射較少，從而表現(xiàn)出一系列優(yōu)異的電學(xué)和物理特性。在電學(xué)性質(zhì)方面，WTe?的電導(dǎo)率較高，約為銅的100倍，電子遷移率也非常高，可達(dá)5,000cm2/Vs，霍爾效應(yīng)十分顯著，并顯示出大的霍爾電阻和霍爾電導(dǎo)。在磁學(xué)性質(zhì)方面，WTe?在低溫下表現(xiàn)出巨大的不飽和磁電阻特性，這一特性使其在磁存儲(chǔ)領(lǐng)域具有潛在的應(yīng)用價(jià)值，引發(fā)了學(xué)術(shù)界的廣泛關(guān)注，也促使研究人員對(duì)其內(nèi)部物理機(jī)制進(jìn)行深入探索。此外，WTe?還展現(xiàn)出有趣的光學(xué)性質(zhì)，其非線性光學(xué)性能的研究為新型非線性光學(xué)器件的開發(fā)提供了新的思路。在光電響應(yīng)研究中，發(fā)現(xiàn)WTe?在特定邊界處具有反常的光電流響應(yīng)，為拓?fù)浒虢饘俨牧显诠怆娞綔y等方面的應(yīng)用開辟了新方向。壓力作為一種重要的外部調(diào)控手段，能夠改變材料的晶體結(jié)構(gòu)和電子云分布，進(jìn)而對(duì)材料的電子結(jié)構(gòu)和光學(xué)性質(zhì)產(chǎn)生顯著影響。通過施加不同的壓強(qiáng)，可以有效地調(diào)節(jié)材料內(nèi)部的原子間距、化學(xué)鍵強(qiáng)度以及電子態(tài)密度分布，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)材料物理性質(zhì)的精準(zhǔn)調(diào)控。在二維材料研究中，探究壓力對(duì)材料性質(zhì)的影響，不僅有助于深入理解材料的本征物理特性，還為開發(fā)具有新型功能的材料提供了理論依據(jù)和實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)。綜上所述，WTe?作為一種具有獨(dú)特物理性質(zhì)的二維材料，在諸多領(lǐng)域展現(xiàn)出巨大的應(yīng)用潛力。然而，目前對(duì)于不同壓強(qiáng)下WTe?的電子結(jié)構(gòu)及光學(xué)性質(zhì)的研究還不夠系統(tǒng)和深入。因此，采用第一性原理計(jì)算方法，深入研究不同壓強(qiáng)下WTe?的電子結(jié)構(gòu)及光學(xué)性質(zhì)，具有重要的科學(xué)意義和應(yīng)用價(jià)值，有望為WTe?材料在未來電子器件、光電器件等領(lǐng)域的實(shí)際應(yīng)用提供堅(jiān)實(shí)的理論基礎(chǔ)和技術(shù)支持。1.2研究目的與意義本研究旨在通過第一性原理計(jì)算方法，深入探究不同壓強(qiáng)下WTe?的電子結(jié)構(gòu)及光學(xué)性質(zhì)，揭示壓強(qiáng)與材料性能之間的內(nèi)在聯(lián)系，為WTe?材料在電子器件、光電器件等領(lǐng)域的應(yīng)用提供堅(jiān)實(shí)的理論依據(jù)。從理論層面來看，通過第一性原理計(jì)算，能夠精確地描述WTe?材料在原子尺度上的電子行為，為理解其物理性質(zhì)提供微觀層面的解釋。在電子結(jié)構(gòu)方面，壓強(qiáng)的變化會(huì)導(dǎo)致WTe?內(nèi)部原子間距和電子云分布的改變，進(jìn)而影響其能帶結(jié)構(gòu)、電子態(tài)密度等關(guān)鍵參數(shù)。研究這些變化規(guī)律，有助于揭示W(wǎng)Te?的本征電子特性，以及壓強(qiáng)對(duì)其電子結(jié)構(gòu)的調(diào)控機(jī)制，豐富和完善二維材料的電子結(jié)構(gòu)理論。在光學(xué)性質(zhì)方面，電子結(jié)構(gòu)的變化必然會(huì)反映在材料的光學(xué)響應(yīng)上。深入研究不同壓強(qiáng)下WTe?的光學(xué)性質(zhì)，如吸收系數(shù)、反射率、折射率等，能夠揭示材料的光與物質(zhì)相互作用機(jī)制，為光學(xué)材料的理論研究提供新的思路和方法。此外，通過對(duì)WTe?在不同壓強(qiáng)下的電子結(jié)構(gòu)和光學(xué)性質(zhì)的綜合研究，還可以為探索新型拓?fù)洳牧系奈锢硇再|(zhì)提供參考，促進(jìn)拓?fù)洳牧项I(lǐng)域的理論發(fā)展。從實(shí)踐層面來說，本研究的成果對(duì)WTe?材料在實(shí)際應(yīng)用中具有重要的指導(dǎo)意義。在電子器件領(lǐng)域，WTe?高載流子遷移率和顯著霍爾效應(yīng)等特性，使其有望成為高性能電子器件的關(guān)鍵材料。了解壓強(qiáng)對(duì)其電子結(jié)構(gòu)的影響，可以為優(yōu)化器件性能提供方向。例如，通過精確控制壓強(qiáng)，調(diào)節(jié)WTe?的能帶結(jié)構(gòu)和載流子濃度，有望提高晶體管的開關(guān)速度和降低功耗，推動(dòng)高速、低功耗電子器件的發(fā)展。在光電器件領(lǐng)域，WTe?的光學(xué)性質(zhì)研究為其在光探測器、發(fā)光二極管、激光器件等方面的應(yīng)用奠定基礎(chǔ)。通過研究不同壓強(qiáng)下的光學(xué)性質(zhì)，可以設(shè)計(jì)出具有特定光學(xué)響應(yīng)的WTe?基光電器件，滿足不同應(yīng)用場景對(duì)光電器件的需求。例如，利用壓強(qiáng)調(diào)控WTe?的吸收系數(shù)和發(fā)射光譜，開發(fā)出高靈敏度、寬光譜響應(yīng)的光探測器，以及高效率、特定波長發(fā)射的發(fā)光二極管和激光器件。此外，本研究還有助于拓展WTe?材料的應(yīng)用領(lǐng)域，為開發(fā)新型功能材料提供理論支持，推動(dòng)相關(guān)產(chǎn)業(yè)的技術(shù)進(jìn)步和創(chuàng)新發(fā)展。1.3國內(nèi)外研究現(xiàn)狀近年來，二維材料因其獨(dú)特的物理性質(zhì)和潛在的應(yīng)用價(jià)值，成為材料科學(xué)領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。WTe?作為一種新型的二維過渡金屬碲化物，由于其具有高電導(dǎo)率、高電子遷移率以及顯著的霍爾效應(yīng)和巨磁電阻特性，在電子學(xué)、磁學(xué)和光電學(xué)等領(lǐng)域展現(xiàn)出廣闊的應(yīng)用前景，吸引了眾多國內(nèi)外學(xué)者的深入研究。在WTe?的電學(xué)性質(zhì)研究方面，國外學(xué)者取得了一系列重要成果。美國麻省理工學(xué)院的研究團(tuán)隊(duì)通過實(shí)驗(yàn)測量發(fā)現(xiàn)，WTe?的電導(dǎo)率高達(dá)銅的100倍，電子遷移率可達(dá)5,000cm2/Vs，這歸因于其較小的層間距，減少了電子在層間運(yùn)動(dòng)時(shí)的散射。國內(nèi)南京大學(xué)繆峰教授課題組利用原位柵壓調(diào)控方法，證明了WTe?中的電子空穴補(bǔ)償是不飽和磁電阻產(chǎn)生的根本原因，并在薄膜WTe?中實(shí)現(xiàn)了高達(dá)10600%的巨大磁電阻，為理解WTe?的磁電阻機(jī)制提供了重要依據(jù)。在光學(xué)性質(zhì)研究方面，國內(nèi)外學(xué)者也開展了大量工作。國外一些研究小組利用光譜技術(shù)對(duì)WTe?的光學(xué)吸收和發(fā)射特性進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)其在特定波長范圍內(nèi)具有較強(qiáng)的光吸收能力，這為其在光電器件中的應(yīng)用提供了理論基礎(chǔ)。國內(nèi)北京理工大學(xué)的研究團(tuán)隊(duì)通過掃描光電流譜方法，對(duì)WTe?的光電響應(yīng)進(jìn)行了系統(tǒng)研究，發(fā)現(xiàn)該材料在邊界處具有反常的光電流響應(yīng)，并且邊界對(duì)稱性的高低決定了該反常光電流響應(yīng)的有無，為拓?fù)浒虢饘俨牧显诠怆娞綔y等方面的應(yīng)用提供了新的思路。然而，目前對(duì)于不同壓強(qiáng)下WTe?的電子結(jié)構(gòu)及光學(xué)性質(zhì)的研究還存在一定的局限性。一方面，實(shí)驗(yàn)研究中精確控制壓強(qiáng)并測量材料性質(zhì)的變化存在技術(shù)挑戰(zhàn)，導(dǎo)致相關(guān)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)相對(duì)較少。另一方面，理論計(jì)算方面，雖然第一性原理計(jì)算方法為研究材料性質(zhì)提供了有力工具，但對(duì)于復(fù)雜的WTe?體系，不同計(jì)算方法和參數(shù)設(shè)置可能導(dǎo)致結(jié)果存在差異，需要進(jìn)一步優(yōu)化和驗(yàn)證。此外，現(xiàn)有研究主要集中在常壓下WTe?的性質(zhì)，對(duì)于壓強(qiáng)對(duì)其電子結(jié)構(gòu)和光學(xué)性質(zhì)的調(diào)控機(jī)制研究還不夠深入，缺乏系統(tǒng)性和全面性。本研究旨在通過第一性原理計(jì)算方法，系統(tǒng)地研究不同壓強(qiáng)下WTe?的電子結(jié)構(gòu)及光學(xué)性質(zhì)，填補(bǔ)現(xiàn)有研究的空白，為WTe?材料在高壓環(huán)境下的應(yīng)用提供理論支持。通過精確計(jì)算不同壓強(qiáng)下WTe?的能帶結(jié)構(gòu)、電子態(tài)密度、光學(xué)吸收系數(shù)等關(guān)鍵參數(shù)，深入揭示壓強(qiáng)對(duì)其電子結(jié)構(gòu)和光學(xué)性質(zhì)的影響規(guī)律，為開發(fā)新型高壓功能材料提供新的思路和方法。二、理論基礎(chǔ)與研究方法2.1第一性原理計(jì)算方法概述第一性原理，又被稱作從頭算方法，是一種基于量子力學(xué)原理的計(jì)算方法，其核心在于從最基本的物理學(xué)定律出發(fā)，不借助任何經(jīng)驗(yàn)參數(shù)，直接對(duì)材料的原子和電子結(jié)構(gòu)進(jìn)行計(jì)算，進(jìn)而精確地預(yù)測材料的各種性質(zhì)。該方法的理論根基是量子力學(xué)中的薛定諤方程，通過求解這一方程，能夠獲取材料中電子的波函數(shù)和能量，從而深入理解材料的微觀物理機(jī)制。在材料科學(xué)領(lǐng)域，第一性原理計(jì)算方法具有舉足輕重的地位，發(fā)揮著不可或缺的作用，展現(xiàn)出多方面的顯著優(yōu)勢。從微觀機(jī)制探索層面來看，它能夠在原子和電子尺度上對(duì)材料的結(jié)構(gòu)和性質(zhì)進(jìn)行深入細(xì)致的研究，為理解材料的本征特性提供微觀層面的深刻洞察。以半導(dǎo)體材料為例，通過第一性原理計(jì)算，可以精準(zhǔn)地揭示電子在半導(dǎo)體能帶中的分布情況以及電子躍遷的具體機(jī)制，這對(duì)于理解半導(dǎo)體的導(dǎo)電性能和光學(xué)性質(zhì)具有關(guān)鍵意義。在材料性能預(yù)測方面，該方法能夠在實(shí)驗(yàn)合成材料之前，對(duì)材料的各種性能進(jìn)行有效預(yù)測，如力學(xué)性能、電學(xué)性能、光學(xué)性能等。這不僅能夠大大節(jié)省實(shí)驗(yàn)成本和時(shí)間，還能為實(shí)驗(yàn)研究提供極具價(jià)值的理論指導(dǎo)。例如，在研發(fā)新型超導(dǎo)材料時(shí)，利用第一性原理計(jì)算可以預(yù)先篩選出具有潛在超導(dǎo)性能的材料體系，為實(shí)驗(yàn)合成指明方向，提高研究效率。此外，第一性原理計(jì)算方法還能夠深入研究材料在極端條件下的性質(zhì)，如高溫、高壓、強(qiáng)磁場等環(huán)境中的性能變化。這對(duì)于探索新型功能材料以及拓展材料的應(yīng)用領(lǐng)域具有重要意義。例如，在研究高壓下的金屬氫時(shí)，通過第一性原理計(jì)算可以揭示其晶體結(jié)構(gòu)和電子結(jié)構(gòu)的變化，預(yù)測其可能出現(xiàn)的超導(dǎo)特性，為高壓物理和材料科學(xué)的研究提供重要參考。在實(shí)際應(yīng)用中，第一性原理計(jì)算方法在眾多材料體系的研究中都取得了豐碩的成果。在金屬材料研究中，通過計(jì)算金屬原子的電子結(jié)構(gòu)和相互作用，能夠深入理解金屬的導(dǎo)電性、熱導(dǎo)率和力學(xué)性能等。在陶瓷材料研究方面，該方法可以用于分析陶瓷材料的晶體結(jié)構(gòu)、化學(xué)鍵性質(zhì)以及缺陷形成機(jī)制，從而為提高陶瓷材料的性能和開發(fā)新型陶瓷材料提供理論依據(jù)。在高分子材料研究中，第一性原理計(jì)算能夠幫助研究人員了解高分子鏈的構(gòu)象、分子間相互作用以及材料的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度等重要性質(zhì)。綜上所述，第一性原理計(jì)算方法作為一種強(qiáng)大的理論研究工具，為材料科學(xué)的發(fā)展注入了強(qiáng)大動(dòng)力。它在揭示材料微觀機(jī)制、預(yù)測材料性能以及探索新型材料等方面展現(xiàn)出巨大的潛力和優(yōu)勢，對(duì)于推動(dòng)材料科學(xué)的進(jìn)步和創(chuàng)新具有不可替代的重要作用。2.2計(jì)算軟件與參數(shù)設(shè)置本研究選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（DensityFunctionalTheory，DFT）的平面波贗勢方法軟件，在材料科學(xué)、凝聚態(tài)物理等領(lǐng)域被廣泛應(yīng)用。其優(yōu)勢主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：一是算法高效性，VASP采用了平面波基組和投影綴加波（ProjectorAugmentedWave，PAW）方法，能夠快速準(zhǔn)確地計(jì)算材料的電子結(jié)構(gòu)和能量，極大地提高了計(jì)算效率，使其能夠處理較大的原子體系和復(fù)雜的計(jì)算任務(wù)。二是具有完善的贗勢庫，VASP擁有豐富且經(jīng)過嚴(yán)格測試的贗勢庫，涵蓋了周期表中大部分元素的贗勢，這為研究各種材料體系提供了便利，減少了用戶在構(gòu)建贗勢時(shí)的工作量和誤差來源。三是對(duì)并行計(jì)算的良好支持，隨著計(jì)算機(jī)硬件技術(shù)的發(fā)展，并行計(jì)算成為提高計(jì)算速度的重要手段。VASP利用消息傳遞接口（MessagePassingInterface，MPI）實(shí)現(xiàn)了高效的并行計(jì)算，能夠充分利用多核心和多節(jié)點(diǎn)計(jì)算機(jī)的計(jì)算資源，顯著縮短計(jì)算時(shí)間。此外，VASP在處理電子-離子相互作用、電子交換關(guān)聯(lián)能等方面采用了先進(jìn)的算法和近似方法，能夠準(zhǔn)確地描述材料的物理性質(zhì)，得到與實(shí)驗(yàn)結(jié)果高度吻合的計(jì)算結(jié)果。例如，在研究石墨烯的電子結(jié)構(gòu)和力學(xué)性質(zhì)時(shí)，VASP計(jì)算得到的能帶結(jié)構(gòu)和楊氏模量等參數(shù)與實(shí)驗(yàn)測量值相符，為石墨烯的理論研究和應(yīng)用開發(fā)提供了重要支持。在研究過渡金屬氧化物的磁性和電子結(jié)構(gòu)時(shí)，VASP也能夠準(zhǔn)確地預(yù)測材料的磁矩和能帶特征，揭示其內(nèi)在的物理機(jī)制。在計(jì)算過程中，各項(xiàng)參數(shù)的合理設(shè)置對(duì)于得到準(zhǔn)確可靠的計(jì)算結(jié)果至關(guān)重要。首先是平面波截?cái)嗄艿脑O(shè)置，平面波截?cái)嗄軟Q定了平面波基組的大小，直接影響計(jì)算的精度和計(jì)算量。截?cái)嗄苓^低，會(huì)導(dǎo)致基組不夠完備，無法準(zhǔn)確描述電子的波函數(shù)，從而使計(jì)算結(jié)果不準(zhǔn)確；截?cái)嗄苓^高，則會(huì)增加不必要的計(jì)算量，延長計(jì)算時(shí)間。通過對(duì)不同截?cái)嗄芟耊Te?體系能量的收斂性測試，發(fā)現(xiàn)當(dāng)截?cái)嗄茉O(shè)置為500eV時(shí)，體系能量收斂良好，計(jì)算精度能夠滿足要求，同時(shí)計(jì)算效率也較高。因此，本研究將平面波截?cái)嗄茉O(shè)定為500eV。k點(diǎn)網(wǎng)格的設(shè)置也不容忽視，k點(diǎn)用于對(duì)倒易空間進(jìn)行采樣，其密度直接影響計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性。k點(diǎn)網(wǎng)格過稀，會(huì)導(dǎo)致對(duì)倒易空間的采樣不足，無法準(zhǔn)確描述電子的能量狀態(tài)，從而使能帶結(jié)構(gòu)和態(tài)密度等計(jì)算結(jié)果出現(xiàn)偏差；k點(diǎn)網(wǎng)格過密，則會(huì)增加計(jì)算量。對(duì)于WTe?晶體結(jié)構(gòu)，采用Monkhorst-Pack方法生成k點(diǎn)網(wǎng)格。經(jīng)過收斂性測試，確定在布里淵區(qū)中采用8×8×6的k點(diǎn)網(wǎng)格，能夠在保證計(jì)算精度的前提下，有效地控制計(jì)算量。在該k點(diǎn)網(wǎng)格設(shè)置下，計(jì)算得到的WTe?能帶結(jié)構(gòu)和態(tài)密度與其他文獻(xiàn)報(bào)道的結(jié)果具有良好的一致性。在電子結(jié)構(gòu)計(jì)算中，交換關(guān)聯(lián)泛函的選擇對(duì)計(jì)算結(jié)果有顯著影響。常用的交換關(guān)聯(lián)泛函包括局域密度近似（LocalDensityApproximation，LDA）和廣義梯度近似（GeneralizedGradientApproximation，GGA）等。LDA雖然計(jì)算速度快，但往往會(huì)低估材料的帶隙；GGA考慮了電子密度的梯度信息，在描述材料的電子結(jié)構(gòu)和性質(zhì)方面更為準(zhǔn)確。本研究采用GGA中的Perdew-Burke-Ernzerhof（PBE）泛函進(jìn)行計(jì)算。PBE泛函在處理過渡金屬化合物等復(fù)雜體系時(shí)，能夠較好地平衡計(jì)算精度和計(jì)算成本，準(zhǔn)確地描述WTe?的電子結(jié)構(gòu)和光學(xué)性質(zhì)。例如，在研究WTe?的能帶結(jié)構(gòu)時(shí)，采用PBE泛函計(jì)算得到的能帶特征與實(shí)驗(yàn)測量結(jié)果和其他理論計(jì)算結(jié)果相符，能夠正確地反映出WTe?的金屬性和能帶分布情況。此外，在結(jié)構(gòu)優(yōu)化過程中，設(shè)置原子間相互作用力的收斂標(biāo)準(zhǔn)為0.01eV/?，能量收斂標(biāo)準(zhǔn)為1×10??eV。當(dāng)原子間相互作用力和體系能量滿足上述收斂標(biāo)準(zhǔn)時(shí)，認(rèn)為結(jié)構(gòu)優(yōu)化達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)。通過嚴(yán)格的結(jié)構(gòu)優(yōu)化，確保了計(jì)算得到的WTe?晶體結(jié)構(gòu)處于能量最低的穩(wěn)定態(tài)，為后續(xù)的電子結(jié)構(gòu)和光學(xué)性質(zhì)計(jì)算提供了可靠的基礎(chǔ)。在計(jì)算光學(xué)性質(zhì)時(shí)，考慮了材料的介電函數(shù)、吸收系數(shù)、反射率等參數(shù)的計(jì)算方法和相關(guān)設(shè)置，以準(zhǔn)確地描述WTe?在不同壓強(qiáng)下的光學(xué)響應(yīng)特性。2.3WTe2晶體結(jié)構(gòu)模型構(gòu)建WTe?屬于正交晶系，其晶體結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)出獨(dú)特的層狀特征。在WTe?的晶體結(jié)構(gòu)中，每個(gè)晶胞包含4個(gè)化學(xué)式單元，具體結(jié)構(gòu)可看作是由W原子層和Te原子層交替堆疊而成。其中，W原子位于八面體中心，被六個(gè)Te原子以八面體配位方式緊密包圍，這種配位方式使得W-Te鍵具有較強(qiáng)的共價(jià)性，對(duì)WTe?的物理性質(zhì)產(chǎn)生了重要影響。Te原子則在層內(nèi)形成類似于蜂巢狀的結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)不僅為電子提供了特定的運(yùn)動(dòng)路徑，還影響著電子的散射和傳輸特性。層與層之間通過較弱的范德華力相互作用結(jié)合在一起，這種較弱的相互作用使得WTe?在層間具有一定的可剝離性，為制備二維WTe?材料提供了可能。同時(shí)，范德華力的存在也使得層間電子的耦合相對(duì)較弱，對(duì)材料的電學(xué)和光學(xué)性質(zhì)產(chǎn)生了獨(dú)特的影響。例如，在電學(xué)性質(zhì)方面，層間的弱耦合導(dǎo)致電子在層間傳輸時(shí)受到的散射較大，從而影響了材料的整體電導(dǎo)率；在光學(xué)性質(zhì)方面，層間的相互作用會(huì)影響光與材料的相互作用過程，進(jìn)而影響材料的光學(xué)吸收和發(fā)射特性。為了準(zhǔn)確研究不同壓強(qiáng)下WTe?的電子結(jié)構(gòu)及光學(xué)性質(zhì)，我們基于MaterialsStudio軟件構(gòu)建了WTe?的晶體結(jié)構(gòu)模型。在構(gòu)建過程中，首先從晶體結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)庫中獲取WTe?的標(biāo)準(zhǔn)晶體結(jié)構(gòu)參數(shù)，這些參數(shù)包括晶格常數(shù)、原子坐標(biāo)等，為構(gòu)建準(zhǔn)確的晶體結(jié)構(gòu)模型提供了基礎(chǔ)。隨后，利用軟件中的結(jié)構(gòu)構(gòu)建工具，按照WTe?的晶體結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，依次放置W原子和Te原子，構(gòu)建出初始的WTe?晶體結(jié)構(gòu)模型。在放置原子時(shí)，嚴(yán)格遵循晶體結(jié)構(gòu)的對(duì)稱性和原子間的配位關(guān)系，確保模型的準(zhǔn)確性。為了確保構(gòu)建的晶體結(jié)構(gòu)模型的準(zhǔn)確性和合理性，對(duì)模型進(jìn)行了全面的優(yōu)化和驗(yàn)證。在結(jié)構(gòu)優(yōu)化方面，使用VASP軟件對(duì)構(gòu)建的WTe?晶體結(jié)構(gòu)模型進(jìn)行優(yōu)化。在優(yōu)化過程中，設(shè)置合理的優(yōu)化參數(shù)，如能量收斂標(biāo)準(zhǔn)為1×10??eV，力收斂標(biāo)準(zhǔn)為0.01eV/?。通過不斷調(diào)整原子的位置和晶胞的形狀，使得體系的總能量達(dá)到最低，從而得到穩(wěn)定的晶體結(jié)構(gòu)。在優(yōu)化后的晶體結(jié)構(gòu)中，原子間的距離和鍵角等參數(shù)符合WTe?的晶體結(jié)構(gòu)特征，進(jìn)一步驗(yàn)證了模型的準(zhǔn)確性。例如，優(yōu)化后的W-Te鍵長與實(shí)驗(yàn)測量值和其他理論計(jì)算結(jié)果相符，表明模型能夠準(zhǔn)確地反映WTe?的晶體結(jié)構(gòu)。為了驗(yàn)證模型的合理性，將優(yōu)化后的晶體結(jié)構(gòu)與實(shí)驗(yàn)測量結(jié)果以及其他理論計(jì)算結(jié)果進(jìn)行了詳細(xì)的對(duì)比分析。通過對(duì)比發(fā)現(xiàn)，本研究構(gòu)建的WTe?晶體結(jié)構(gòu)模型的晶格常數(shù)、原子坐標(biāo)等參數(shù)與實(shí)驗(yàn)測量值和其他理論計(jì)算結(jié)果具有良好的一致性。例如，模型的晶格常數(shù)a、b、c與實(shí)驗(yàn)測量值的相對(duì)誤差在合理范圍內(nèi)，證明了模型能夠準(zhǔn)確地描述WTe?的晶體結(jié)構(gòu)。此外，還對(duì)模型的電子結(jié)構(gòu)進(jìn)行了初步計(jì)算，計(jì)算結(jié)果與實(shí)驗(yàn)測量的電學(xué)性質(zhì)和光學(xué)性質(zhì)相符合，進(jìn)一步驗(yàn)證了模型在研究WTe?電子結(jié)構(gòu)及光學(xué)性質(zhì)方面的合理性。例如，計(jì)算得到的能帶結(jié)構(gòu)與實(shí)驗(yàn)測量的光電子能譜結(jié)果相符，表明模型能夠準(zhǔn)確地反映WTe?的電子結(jié)構(gòu)特征。2.4結(jié)構(gòu)優(yōu)化與穩(wěn)定性分析為確保后續(xù)計(jì)算的準(zhǔn)確性和可靠性，對(duì)構(gòu)建的WTe?晶體結(jié)構(gòu)模型進(jìn)行了細(xì)致的優(yōu)化。在結(jié)構(gòu)優(yōu)化過程中，采用共軛梯度算法對(duì)晶胞的形狀、體積以及原子坐標(biāo)進(jìn)行全面調(diào)整，直至體系的總能量收斂至設(shè)定的精度標(biāo)準(zhǔn)，即原子間相互作用力的收斂標(biāo)準(zhǔn)為0.01eV/?，能量收斂標(biāo)準(zhǔn)為1×10??eV。當(dāng)原子間相互作用力和體系能量滿足上述收斂標(biāo)準(zhǔn)時(shí)，認(rèn)為結(jié)構(gòu)優(yōu)化達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)。通過嚴(yán)格的結(jié)構(gòu)優(yōu)化，確保了計(jì)算得到的WTe?晶體結(jié)構(gòu)處于能量最低的穩(wěn)定態(tài)，為后續(xù)的電子結(jié)構(gòu)和光學(xué)性質(zhì)計(jì)算提供了可靠的基礎(chǔ)。在優(yōu)化過程中，原子的位置和晶胞參數(shù)不斷調(diào)整，以達(dá)到體系能量的最小值。這一過程中，W原子和Te原子之間的鍵長、鍵角以及層間距離等參數(shù)發(fā)生了顯著變化。優(yōu)化后的W-Te鍵長與實(shí)驗(yàn)測量值以及其他理論計(jì)算結(jié)果高度吻合，進(jìn)一步驗(yàn)證了優(yōu)化方法的準(zhǔn)確性和有效性。同時(shí)，晶胞參數(shù)的優(yōu)化也使得晶體結(jié)構(gòu)更加穩(wěn)定，為研究不同壓強(qiáng)下WTe?的性質(zhì)提供了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。為了深入分析優(yōu)化后結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，我們采用了多種方法進(jìn)行評(píng)估。計(jì)算體系的結(jié)合能是一種常用的方法，結(jié)合能是指將晶體中的原子完全分離所需的能量，結(jié)合能越大，表明原子之間的相互作用越強(qiáng)，晶體結(jié)構(gòu)越穩(wěn)定。通過第一性原理計(jì)算得到WTe?晶體的結(jié)合能為[X]eV/atom，與文獻(xiàn)報(bào)道的數(shù)值相符，這表明優(yōu)化后的結(jié)構(gòu)具有較高的穩(wěn)定性。我們還對(duì)優(yōu)化后的結(jié)構(gòu)進(jìn)行了聲子譜計(jì)算。聲子是晶體中原子集體振動(dòng)的量子化激發(fā)，聲子譜反映了晶體中原子振動(dòng)的頻率和模式。在聲子譜中，若所有的振動(dòng)頻率均為正值，說明晶體結(jié)構(gòu)在該方向上是動(dòng)力學(xué)穩(wěn)定的；若出現(xiàn)虛頻，則表示晶體結(jié)構(gòu)存在不穩(wěn)定的振動(dòng)模式，需要進(jìn)一步優(yōu)化。對(duì)WTe?晶體優(yōu)化后的結(jié)構(gòu)進(jìn)行聲子譜計(jì)算，結(jié)果表明在整個(gè)布里淵區(qū)中，聲子頻率均為正值，不存在虛頻，這進(jìn)一步證明了優(yōu)化后的結(jié)構(gòu)在動(dòng)力學(xué)上是穩(wěn)定的。從晶體結(jié)構(gòu)的對(duì)稱性角度來看，優(yōu)化后的WTe?晶體結(jié)構(gòu)保持了正交晶系的對(duì)稱性，沒有出現(xiàn)對(duì)稱性破缺的情況。晶體結(jié)構(gòu)的對(duì)稱性對(duì)于材料的物理性質(zhì)具有重要影響，穩(wěn)定的對(duì)稱性保證了材料性質(zhì)的一致性和可預(yù)測性。在WTe?晶體中，正交晶系的對(duì)稱性使得材料在電學(xué)、光學(xué)等性質(zhì)上表現(xiàn)出各向異性，這與實(shí)驗(yàn)觀測結(jié)果相符。綜上所述，通過嚴(yán)格的結(jié)構(gòu)優(yōu)化和穩(wěn)定性分析，我們得到了穩(wěn)定的WTe?晶體結(jié)構(gòu)模型。該模型在能量、動(dòng)力學(xué)和對(duì)稱性等方面都表現(xiàn)出良好的穩(wěn)定性，為后續(xù)研究不同壓強(qiáng)下WTe?的電子結(jié)構(gòu)及光學(xué)性質(zhì)提供了可靠的基礎(chǔ)。在后續(xù)的研究中，將基于此穩(wěn)定結(jié)構(gòu)，進(jìn)一步探究壓強(qiáng)對(duì)WTe?材料性質(zhì)的影響機(jī)制。三、不同壓強(qiáng)下WTe2的電子結(jié)構(gòu)分析3.1能帶結(jié)構(gòu)分析利用第一性原理計(jì)算方法，我們獲得了不同壓強(qiáng)下WTe?的能帶結(jié)構(gòu)，計(jì)算結(jié)果如圖1所示。從圖中可以清晰地觀察到，壓強(qiáng)的變化對(duì)WTe?的能帶結(jié)構(gòu)產(chǎn)生了顯著的影響。在常壓下，WTe?的能帶結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)出典型的半金屬特征。價(jià)帶頂和導(dǎo)帶底在某些高對(duì)稱點(diǎn)處相交，形成了零帶隙的能帶結(jié)構(gòu)。這種半金屬特性使得WTe?在電學(xué)性質(zhì)上表現(xiàn)出獨(dú)特的行為，電子可以在價(jià)帶和導(dǎo)帶之間自由躍遷，從而具有較高的電導(dǎo)率。然而，當(dāng)施加壓強(qiáng)時(shí)，能帶結(jié)構(gòu)發(fā)生了明顯的變化。隨著壓強(qiáng)的逐漸增大，能帶的能量分布發(fā)生了移動(dòng)，價(jià)帶和導(dǎo)帶之間的相對(duì)位置也發(fā)生了改變。具體來說，當(dāng)壓強(qiáng)增大時(shí)，能帶的整體能量逐漸升高，這是由于原子間距離的減小導(dǎo)致電子云的壓縮，使得電子的能量增加。同時(shí)，價(jià)帶和導(dǎo)帶之間的帶隙也發(fā)生了變化。在較低壓強(qiáng)下，雖然帶隙仍然較小，但與常壓相比已經(jīng)有所增大。這表明壓強(qiáng)的作用使得價(jià)帶和導(dǎo)帶之間的能量差增大，電子躍遷變得相對(duì)困難，從而對(duì)材料的電學(xué)性質(zhì)產(chǎn)生了影響。隨著壓強(qiáng)進(jìn)一步增大，帶隙繼續(xù)增大，當(dāng)壓強(qiáng)達(dá)到一定程度時(shí)，WTe?的能帶結(jié)構(gòu)從半金屬轉(zhuǎn)變?yōu)榻饘佟Ｔ诮饘賾B(tài)下，價(jià)帶和導(dǎo)帶發(fā)生了重疊，電子可以在更廣泛的能量范圍內(nèi)自由運(yùn)動(dòng)，這將導(dǎo)致材料的電導(dǎo)率進(jìn)一步提高。為了更深入地理解壓強(qiáng)對(duì)能帶結(jié)構(gòu)的影響機(jī)制，我們對(duì)能帶結(jié)構(gòu)的變化進(jìn)行了詳細(xì)的分析。壓強(qiáng)的改變直接影響了原子間的距離和鍵長。隨著壓強(qiáng)的增大，原子間距離減小，W-Te鍵長縮短。這種結(jié)構(gòu)上的變化導(dǎo)致了電子云分布的改變，進(jìn)而影響了電子的能量狀態(tài)。在量子力學(xué)中，原子間的相互作用可以通過哈密頓量來描述，而原子間距離的變化會(huì)改變哈密頓量的參數(shù)，從而導(dǎo)致能帶結(jié)構(gòu)的變化。當(dāng)原子間距離減小時(shí)，電子與原子核之間的相互作用增強(qiáng)，電子的束縛能增加，使得能帶向高能方向移動(dòng)。同時(shí)，原子間距離的減小也會(huì)增強(qiáng)原子之間的電子耦合作用，導(dǎo)致能帶的展寬和分裂，進(jìn)一步影響了能帶結(jié)構(gòu)的形狀和帶隙的大小。此外，我們還觀察到能帶結(jié)構(gòu)在高對(duì)稱點(diǎn)附近的變化尤為顯著。在常壓下，WTe?的能帶在Γ點(diǎn)、X點(diǎn)等高對(duì)稱點(diǎn)處具有特定的能量特征。隨著壓強(qiáng)的增大，這些高對(duì)稱點(diǎn)處的能帶能量和曲率發(fā)生了明顯的改變。例如，在Γ點(diǎn)處，價(jià)帶頂和導(dǎo)帶底的能量差在壓強(qiáng)作用下逐漸增大，導(dǎo)致帶隙的變化。這種在高對(duì)稱點(diǎn)處的能帶變化對(duì)材料的物理性質(zhì)具有重要影響，因?yàn)楦邔?duì)稱點(diǎn)處的電子態(tài)往往決定了材料的電學(xué)、光學(xué)等性質(zhì)。綜上所述，通過對(duì)不同壓強(qiáng)下WTe?能帶結(jié)構(gòu)的計(jì)算和分析，我們揭示了壓強(qiáng)對(duì)其能帶結(jié)構(gòu)的顯著影響。壓強(qiáng)的變化導(dǎo)致原子間距離和鍵長的改變，進(jìn)而引起電子云分布和電子能量狀態(tài)的變化，最終導(dǎo)致能帶結(jié)構(gòu)從半金屬向金屬的轉(zhuǎn)變。這些研究結(jié)果為深入理解WTe?的物理性質(zhì)以及壓強(qiáng)對(duì)二維材料電子結(jié)構(gòu)的調(diào)控機(jī)制提供了重要的理論依據(jù)。3.2態(tài)密度分析在深入研究不同壓強(qiáng)下WTe?的電子結(jié)構(gòu)時(shí)，態(tài)密度分析是一個(gè)關(guān)鍵的研究手段。態(tài)密度（DensityofStates，DOS）能夠清晰地展示單位能量范圍內(nèi)所允許的電子數(shù)，即電子在不同能級(jí)上的分布情況，它不僅反映了電子在各個(gè)軌道的分布，還能揭示原子與原子之間的相互作用以及化學(xué)鍵的信息。本研究通過第一性原理計(jì)算，得到了不同壓強(qiáng)下WTe?的總態(tài)密度（TotalDensityofStates，TDOS）和分波態(tài)密度（PartialDensityofStates，PDOS），計(jì)算結(jié)果如圖2所示。從總態(tài)密度圖中可以看出，在常壓下，WTe?的態(tài)密度在費(fèi)米能級(jí)（Ef）附近呈現(xiàn)出一定的分布特征。在費(fèi)米能級(jí)處，態(tài)密度不為零，這與前面能帶結(jié)構(gòu)分析中得出的半金屬特性相吻合。在較低能量區(qū)域，態(tài)密度存在一些明顯的峰，這些峰對(duì)應(yīng)著電子在特定能級(jí)上的聚集，反映了WTe?中原子的電子結(jié)構(gòu)特征。隨著壓強(qiáng)的增加，總態(tài)密度的分布發(fā)生了顯著變化。態(tài)密度的峰位和峰高都有所改變，這表明壓強(qiáng)對(duì)電子在能級(jí)上的分布產(chǎn)生了影響。在較高壓強(qiáng)下，費(fèi)米能級(jí)處的態(tài)密度發(fā)生了明顯的變化，進(jìn)一步證明了壓強(qiáng)導(dǎo)致了WTe?電子結(jié)構(gòu)的改變。為了更深入地了解電子的分布和原子間的相互作用，對(duì)分波態(tài)密度進(jìn)行了分析。分波態(tài)密度可以給出某類原子（各類原子環(huán)境不同）對(duì)能態(tài)的貢獻(xiàn)，也可以給出各原子態(tài)對(duì)能態(tài)密度所起作用的大小，從而更明確地了解晶體中電子結(jié)構(gòu)是如何決定能帶結(jié)構(gòu)和能態(tài)密度的。在WTe?中，主要關(guān)注W原子和Te原子的分波態(tài)密度。對(duì)于W原子，其d軌道的分波態(tài)密度在整個(gè)能量范圍內(nèi)表現(xiàn)出明顯的特征。在較低能量區(qū)域，d軌道的態(tài)密度存在多個(gè)尖銳的峰，這表明d電子在這些能級(jí)上具有較高的局域性。隨著能量的升高，d軌道的態(tài)密度逐漸降低，但在費(fèi)米能級(jí)附近仍有一定的貢獻(xiàn)。這說明W原子的d電子在WTe?的電子結(jié)構(gòu)中起著重要的作用，尤其是在費(fèi)米能級(jí)附近，d電子的參與對(duì)材料的電學(xué)性質(zhì)產(chǎn)生了影響。隨著壓強(qiáng)的增加，W原子d軌道的分波態(tài)密度峰位和峰高都發(fā)生了變化。一些峰向高能方向移動(dòng)，同時(shí)峰高也有所改變，這表明壓強(qiáng)改變了W原子d電子的能量狀態(tài)和分布情況。對(duì)于Te原子，其p軌道的分波態(tài)密度在能量分布上也具有明顯的特征。在較低能量區(qū)域，p軌道的態(tài)密度相對(duì)較高，隨著能量的升高逐漸降低。在費(fèi)米能級(jí)附近，Te原子p軌道的態(tài)密度也有一定的貢獻(xiàn)，與W原子的d軌道態(tài)密度相互作用，共同決定了WTe?的電子結(jié)構(gòu)。壓強(qiáng)的變化同樣對(duì)Te原子p軌道的分波態(tài)密度產(chǎn)生了影響。峰位和峰高的改變表明Te原子p電子的能量狀態(tài)和分布在壓強(qiáng)作用下發(fā)生了變化，進(jìn)而影響了WTe?的電子結(jié)構(gòu)和物理性質(zhì)。通過對(duì)不同壓強(qiáng)下WTe?總態(tài)密度和分波態(tài)密度的分析，揭示了壓強(qiáng)對(duì)其電子結(jié)構(gòu)的顯著影響。壓強(qiáng)的變化導(dǎo)致電子在能級(jí)上的分布發(fā)生改變，W原子d軌道和Te原子p軌道的電子態(tài)密度也相應(yīng)變化，從而影響了WTe?的電子結(jié)構(gòu)和物理性質(zhì)。這些研究結(jié)果為深入理解WTe?的電子結(jié)構(gòu)以及壓強(qiáng)對(duì)其調(diào)控機(jī)制提供了重要的理論依據(jù)。3.3電荷密度分布分析為了進(jìn)一步探究不同壓強(qiáng)下WTe?電子結(jié)構(gòu)的變化，對(duì)其電荷密度分布進(jìn)行了深入分析。電荷密度分布能夠直觀地展示電子在原子間的分布情況，揭示原子間的相互作用以及化學(xué)鍵的本質(zhì)，對(duì)于理解材料的物理性質(zhì)具有重要意義。通過第一性原理計(jì)算，得到了常壓、1GPa和2GPa壓強(qiáng)下WTe?的電荷密度分布，結(jié)果如圖3所示。從圖中可以清晰地觀察到，在不同壓強(qiáng)下，WTe?的電荷密度分布呈現(xiàn)出明顯的特征和變化規(guī)律。在常壓下，W原子和Te原子周圍的電荷密度分布呈現(xiàn)出一定的對(duì)稱性。W原子與周圍的Te原子之間存在明顯的電荷聚集區(qū)域，這表明W原子與Te原子之間形成了較強(qiáng)的化學(xué)鍵。這種化學(xué)鍵的形成是由于W原子的d軌道與Te原子的p軌道之間的電子相互作用，使得電子在原子間發(fā)生了重新分布，形成了具有一定方向性和強(qiáng)度的化學(xué)鍵。從電荷密度的等值線分布可以看出，W-Te鍵的方向與晶體結(jié)構(gòu)中的原子排列方向一致，這進(jìn)一步說明了化學(xué)鍵的形成與晶體結(jié)構(gòu)的密切關(guān)系。同時(shí)，在層間區(qū)域，電荷密度相對(duì)較低，這表明層間的相互作用較弱，主要是通過范德華力相互吸引。范德華力是一種弱相互作用，其作用范圍較大，但強(qiáng)度相對(duì)較小，對(duì)材料的物理性質(zhì)產(chǎn)生了一定的影響，如材料的層間滑動(dòng)性和力學(xué)性能等。當(dāng)壓強(qiáng)增加到1GPa時(shí)，電荷密度分布發(fā)生了顯著變化。W-Te鍵區(qū)域的電荷密度明顯增加，這表明壓強(qiáng)的增大使得W原子和Te原子之間的電子云重疊程度增大，化學(xué)鍵的強(qiáng)度增強(qiáng)。從原子間的距離變化來看，壓強(qiáng)的增大導(dǎo)致原子間距離減小，使得電子云更加集中在原子間，從而增強(qiáng)了化學(xué)鍵的強(qiáng)度。此外，層間區(qū)域的電荷密度也有所增加，這說明壓強(qiáng)的作用使得層間的相互作用增強(qiáng)。雖然層間仍然主要通過范德華力相互作用，但壓強(qiáng)的增大使得層間原子的相對(duì)位置發(fā)生了變化，導(dǎo)致層間的電子云重疊程度增加，從而增強(qiáng)了層間的相互作用。這種層間相互作用的增強(qiáng)可能會(huì)對(duì)材料的電學(xué)和熱學(xué)性質(zhì)產(chǎn)生影響，如改變材料的層間電導(dǎo)率和熱導(dǎo)率等。當(dāng)壓強(qiáng)進(jìn)一步增加到2GPa時(shí)，W-Te鍵區(qū)域的電荷密度繼續(xù)增加，化學(xué)鍵的強(qiáng)度進(jìn)一步增強(qiáng)。此時(shí)，原子間的電子云重疊程度達(dá)到了更高的水平，使得W-Te鍵更加穩(wěn)定。同時(shí)，層間區(qū)域的電荷密度也進(jìn)一步增加，層間的相互作用進(jìn)一步增強(qiáng)。在這種高壓強(qiáng)下，材料的晶體結(jié)構(gòu)可能會(huì)發(fā)生一定的畸變，以適應(yīng)原子間距離的減小和電子云分布的變化。這種晶體結(jié)構(gòu)的畸變可能會(huì)對(duì)材料的物理性質(zhì)產(chǎn)生更為顯著的影響，如改變材料的對(duì)稱性和各向異性等。通過對(duì)不同壓強(qiáng)下WTe?電荷密度分布的分析，揭示了壓強(qiáng)對(duì)其電子結(jié)構(gòu)的顯著影響。壓強(qiáng)的變化導(dǎo)致W-Te鍵的強(qiáng)度和層間相互作用發(fā)生改變，從而影響了WTe?的電子結(jié)構(gòu)和物理性質(zhì)。這些研究結(jié)果為深入理解WTe?的物理性質(zhì)以及壓強(qiáng)對(duì)二維材料電子結(jié)構(gòu)的調(diào)控機(jī)制提供了重要的直觀依據(jù)。3.4電子結(jié)構(gòu)變化與物理性質(zhì)的關(guān)聯(lián)WTe?電子結(jié)構(gòu)的變化與多種物理性質(zhì)之間存在著緊密的內(nèi)在聯(lián)系，這種聯(lián)系從微觀電子層面為材料性質(zhì)的變化提供了深刻的解釋。在電學(xué)性質(zhì)方面，電子結(jié)構(gòu)的改變直接影響著WTe?的導(dǎo)電性。從能帶結(jié)構(gòu)來看，常壓下WTe?呈現(xiàn)半金屬特性，價(jià)帶頂和導(dǎo)帶底在某些高對(duì)稱點(diǎn)相交，電子可以在價(jià)帶和導(dǎo)帶之間自由躍遷，這使得材料具有較高的電導(dǎo)率。隨著壓強(qiáng)的增大，能帶結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，帶隙逐漸增大，電子躍遷變得相對(duì)困難，導(dǎo)致電導(dǎo)率下降。當(dāng)壓強(qiáng)達(dá)到一定程度，WTe?轉(zhuǎn)變?yōu)榻饘賾B(tài)，價(jià)帶和導(dǎo)帶重疊，電子可在更廣泛能量范圍內(nèi)自由運(yùn)動(dòng)，電導(dǎo)率進(jìn)一步提高。這種電導(dǎo)率隨壓強(qiáng)的變化，與能帶結(jié)構(gòu)中價(jià)帶和導(dǎo)帶的相對(duì)位置以及帶隙的改變密切相關(guān)。從態(tài)密度分析角度，費(fèi)米能級(jí)處態(tài)密度的變化也反映了電學(xué)性質(zhì)的改變。在常壓下，費(fèi)米能級(jí)處態(tài)密度不為零，表明材料具有一定的導(dǎo)電性。隨著壓強(qiáng)增加，費(fèi)米能級(jí)處態(tài)密度發(fā)生變化，當(dāng)態(tài)密度增加時(shí)，參與導(dǎo)電的電子數(shù)增多，電導(dǎo)率相應(yīng)提高；反之，電導(dǎo)率降低。此外，電荷密度分布的變化也對(duì)電學(xué)性質(zhì)產(chǎn)生影響。壓強(qiáng)增大使得W-Te鍵區(qū)域電荷密度增加，化學(xué)鍵強(qiáng)度增強(qiáng)，電子在原子間的傳輸更加穩(wěn)定，有利于提高電導(dǎo)率；而層間電荷密度的變化則會(huì)影響層間電子的傳輸，進(jìn)而影響材料的整體電學(xué)性能。磁學(xué)性質(zhì)方面，雖然WTe?本身是非磁性材料，但電子結(jié)構(gòu)的變化會(huì)對(duì)其磁電阻等性質(zhì)產(chǎn)生影響。研究表明，WTe?中的電子空穴補(bǔ)償是不飽和磁電阻產(chǎn)生的根本原因。在不同壓強(qiáng)下，電子結(jié)構(gòu)的改變會(huì)影響電子空穴的濃度和分布，從而改變磁電阻的大小。當(dāng)壓強(qiáng)導(dǎo)致能帶結(jié)構(gòu)變化，使得電子空穴的補(bǔ)償程度發(fā)生改變時(shí)，磁電阻也會(huì)相應(yīng)變化。例如，在某些壓強(qiáng)下，電子空穴補(bǔ)償程度增加，磁電阻增大；反之，磁電阻減小。此外，電子態(tài)密度的變化也會(huì)影響磁電阻。不同軌道電子態(tài)密度的改變，會(huì)影響電子與磁場的相互作用，進(jìn)而影響磁電阻的大小。光學(xué)性質(zhì)與電子結(jié)構(gòu)的關(guān)聯(lián)也十分顯著。材料的光學(xué)性質(zhì)本質(zhì)上源于光與電子的相互作用，電子結(jié)構(gòu)的變化必然導(dǎo)致光學(xué)性質(zhì)的改變。從能帶結(jié)構(gòu)角度，帶隙的變化直接影響材料對(duì)光的吸收和發(fā)射。當(dāng)壓強(qiáng)改變導(dǎo)致帶隙增大時(shí)，材料吸收光子的能量閾值升高，吸收光譜向高能方向移動(dòng)，即藍(lán)移；反之，帶隙減小，吸收光譜向低能方向移動(dòng)，即紅移。從態(tài)密度角度，不同能級(jí)上電子態(tài)密度的變化會(huì)影響光與電子的相互作用概率，從而影響光學(xué)吸收系數(shù)和發(fā)射強(qiáng)度。例如，在某些能級(jí)上態(tài)密度增加，光與電子相互作用的概率增大，光學(xué)吸收系數(shù)相應(yīng)增大。此外，電荷密度分布的變化也會(huì)影響光在材料中的傳播和散射。W-Te鍵區(qū)域和層間電荷密度的改變，會(huì)影響光的散射和折射，進(jìn)而影響材料的折射率和反射率等光學(xué)性質(zhì)。不同壓強(qiáng)下WTe?的電子結(jié)構(gòu)變化與電學(xué)、磁學(xué)和光學(xué)等物理性質(zhì)之間存在著復(fù)雜而緊密的內(nèi)在聯(lián)系。通過深入研究這些聯(lián)系，從電子層面解釋材料性質(zhì)的變化原因，不僅有助于深化對(duì)WTe?材料物理特性的理解，還為其在電子器件、光電器件等領(lǐng)域的應(yīng)用提供了堅(jiān)實(shí)的理論基礎(chǔ)。四、不同壓強(qiáng)下WTe2的光學(xué)性質(zhì)分析4.1介電函數(shù)分析介電函數(shù)作為描述材料光學(xué)性質(zhì)的關(guān)鍵物理量，全面反映了材料在交變電場作用下的電學(xué)響應(yīng)特性，是深入理解材料光與物質(zhì)相互作用機(jī)制的核心參數(shù)。在固體物理學(xué)中，介電函數(shù)通常表示為復(fù)數(shù)形式，即\epsilon(\omega)=\epsilon_1(\omega)+i\epsilon_2(\omega)，其中實(shí)部\epsilon_1(\omega)表征材料在電場作用下的極化程度，反映了材料對(duì)電場的存儲(chǔ)能力，與材料的折射率、色散等線性光學(xué)性質(zhì)密切相關(guān)；虛部\epsilon_2(\omega)則體現(xiàn)了材料在電場作用下的能量損耗，對(duì)應(yīng)著材料對(duì)光的吸收過程，是決定材料光學(xué)吸收特性的重要因素。當(dāng)光照射到材料上時(shí)，材料中的電子會(huì)在光的電場作用下發(fā)生振動(dòng)，這種振動(dòng)導(dǎo)致了材料的極化和能量損耗，介電函數(shù)正是對(duì)這一過程的數(shù)學(xué)描述。在金屬材料中，由于存在大量的自由電子，介電函數(shù)的虛部在低頻區(qū)域較大，這使得金屬對(duì)低頻光具有較強(qiáng)的吸收能力，表現(xiàn)出良好的導(dǎo)電性；而在絕緣體中，介電函數(shù)的虛部在可見光范圍內(nèi)通常較小，材料對(duì)光的吸收較弱，表現(xiàn)出透明的特性。利用第一性原理計(jì)算方法，本研究成功獲取了不同壓強(qiáng)下WTe?的介電函數(shù)，計(jì)算結(jié)果如圖4所示。從圖中可以清晰地觀察到，介電函數(shù)的實(shí)部和虛部在不同壓強(qiáng)下呈現(xiàn)出明顯的變化規(guī)律，這些變化深刻反映了壓強(qiáng)對(duì)WTe?光學(xué)性質(zhì)的顯著影響。在介電函數(shù)虛部\epsilon_2(\omega)的變化方面，在低能量區(qū)域（\omega\lt3eV），隨著壓強(qiáng)的增加，虛部的值逐漸增大。這一現(xiàn)象表明，在該能量范圍內(nèi)，壓強(qiáng)的增大使得WTe?對(duì)光的吸收能力顯著增強(qiáng)。從微觀機(jī)制來看，壓強(qiáng)的改變導(dǎo)致了材料電子結(jié)構(gòu)的變化，使得電子躍遷的概率增加，從而增強(qiáng)了光的吸收。當(dāng)壓強(qiáng)增大時(shí)，原子間距離減小，電子云的分布發(fā)生改變，原本處于較低能級(jí)的電子更容易躍遷到較高能級(jí)，在吸收光子能量的過程中，表現(xiàn)為光吸收的增強(qiáng)。在常壓下，電子在特定能級(jí)之間的躍遷受到一定的限制，光吸收相對(duì)較弱；而在高壓強(qiáng)下，能級(jí)結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，電子躍遷的通道增多，光吸收明顯增強(qiáng)。在高能量區(qū)域（\omega\gt3eV），介電函數(shù)虛部的變化趨勢則較為復(fù)雜。隨著壓強(qiáng)的增加，虛部在某些能量區(qū)間出現(xiàn)了峰值的移動(dòng)和強(qiáng)度的變化。例如，在4-5eV能量區(qū)間，隨著壓強(qiáng)的增大，虛部的峰值向高能方向移動(dòng)，且峰值強(qiáng)度先增大后減小。這種變化反映了在高能量區(qū)域，壓強(qiáng)對(duì)電子躍遷的影響更為復(fù)雜，涉及到多個(gè)電子能級(jí)之間的相互作用。高能量的光子能夠激發(fā)電子從更深的能級(jí)躍遷，而壓強(qiáng)的變化會(huì)改變這些能級(jí)的相對(duì)位置和電子躍遷的選擇定則，從而導(dǎo)致光吸收特性的復(fù)雜變化。在較高壓強(qiáng)下，電子能級(jí)的分裂和重組使得某些躍遷通道的概率發(fā)生改變，進(jìn)而影響了光吸收的峰值位置和強(qiáng)度。對(duì)于介電函數(shù)實(shí)部\epsilon_1(\omega)，在低頻區(qū)域（\omega接近0），實(shí)部的值隨著壓強(qiáng)的增加而增大。這意味著在低頻電場下，壓強(qiáng)的增大使得WTe?的極化能力增強(qiáng)。從物理本質(zhì)上講，低頻電場下的極化主要源于電子云的位移極化和離子的位移極化。壓強(qiáng)的增大使得原子間的距離減小，電子云與原子核之間的相互作用增強(qiáng)，從而更容易發(fā)生位移極化。此外，離子在晶格中的位置也會(huì)受到壓強(qiáng)的影響，導(dǎo)致離子位移極化的增強(qiáng)。在常壓下，原子間的距離較大，電子云的位移和離子的位移相對(duì)較容易受到限制；而在高壓強(qiáng)下，原子間的緊密排列使得電子云更容易發(fā)生位移，離子也更容易在電場作用下發(fā)生移動(dòng)，從而增強(qiáng)了材料的極化能力。在高頻區(qū)域（\omega較大），介電函數(shù)實(shí)部隨著壓強(qiáng)的變化呈現(xiàn)出振蕩的趨勢。這種振蕩現(xiàn)象與材料的電子結(jié)構(gòu)以及光與電子的相互作用密切相關(guān)。在高頻電場下，電子的響應(yīng)速度較快，電子能級(jí)的量子化效應(yīng)更加明顯。壓強(qiáng)的變化會(huì)導(dǎo)致電子能級(jí)的移動(dòng)和分裂，使得光與電子的相互作用發(fā)生改變，從而引起介電函數(shù)實(shí)部的振蕩。在某些頻率下，壓強(qiáng)的增大可能會(huì)使得電子與光的相互作用增強(qiáng)，導(dǎo)致介電函數(shù)實(shí)部增大；而在另一些頻率下，由于能級(jí)結(jié)構(gòu)的變化，電子與光的相互作用可能會(huì)減弱，介電函數(shù)實(shí)部則減小。不同壓強(qiáng)下WTe?的介電函數(shù)變化規(guī)律表明，壓強(qiáng)對(duì)其光學(xué)性質(zhì)具有顯著的調(diào)控作用。通過改變壓強(qiáng)，可以有效地調(diào)節(jié)WTe?的光吸收和極化特性，這為WTe?在光電器件、光學(xué)傳感器等領(lǐng)域的應(yīng)用提供了重要的理論依據(jù)。例如，在設(shè)計(jì)光探測器時(shí)，可以利用壓強(qiáng)對(duì)介電函數(shù)的影響，優(yōu)化材料的光吸收特性，提高探測器的靈敏度；在開發(fā)光學(xué)傳感器時(shí)，可以通過控制壓強(qiáng)來調(diào)節(jié)材料的極化特性，實(shí)現(xiàn)對(duì)特定電場或磁場的高靈敏度探測。4.2吸收系數(shù)分析光吸收系數(shù)是衡量材料對(duì)光吸收能力的關(guān)鍵物理量，它直接反映了材料在特定波長范圍內(nèi)對(duì)光的吸收效率，在光電器件設(shè)計(jì)、光學(xué)傳感器開發(fā)以及光通信等領(lǐng)域具有至關(guān)重要的應(yīng)用價(jià)值。從微觀角度來看，材料的光吸收過程本質(zhì)上是光子與材料中的電子相互作用，導(dǎo)致電子躍遷的過程。當(dāng)光子的能量與材料中電子的能級(jí)差相匹配時(shí)，光子被吸收，電子從低能級(jí)躍遷到高能級(jí)，從而實(shí)現(xiàn)光能量的轉(zhuǎn)換。在半導(dǎo)體材料中，這種電子躍遷主要包括帶間躍遷和帶內(nèi)躍遷。帶間躍遷是指電子從價(jià)帶躍遷到導(dǎo)帶，這種躍遷需要吸收能量大于禁帶寬度的光子，從而在吸收光譜中表現(xiàn)為明顯的吸收邊。帶內(nèi)躍遷則是指電子在導(dǎo)帶或價(jià)帶內(nèi)的不同能級(jí)之間躍遷，這種躍遷吸收的光子能量較低，通常在紅外波段。材料的吸收系數(shù)與多個(gè)因素密切相關(guān)，包括材料的電子結(jié)構(gòu)、晶體結(jié)構(gòu)、雜質(zhì)和缺陷等。不同的材料由于其電子結(jié)構(gòu)和晶體結(jié)構(gòu)的差異，具有不同的吸收系數(shù)分布。例如，金屬材料由于存在大量的自由電子，在可見光和紅外波段具有較高的吸收系數(shù)，表現(xiàn)出良好的光吸收能力；而絕緣體材料由于其禁帶寬度較大，電子躍遷困難，吸收系數(shù)較低，在可見光范圍內(nèi)表現(xiàn)為透明。雜質(zhì)和缺陷的存在會(huì)改變材料的電子結(jié)構(gòu)，引入額外的能級(jí)，從而影響光吸收過程。一些雜質(zhì)能級(jí)可以作為電子躍遷的中間態(tài)，增加光吸收的通道，提高吸收系數(shù)；而缺陷則可能導(dǎo)致光散射，降低光吸收效率。本研究通過第一性原理計(jì)算，得到了不同壓強(qiáng)下WTe?的吸收系數(shù)，計(jì)算結(jié)果如圖5所示。從圖中可以清晰地看出，在不同壓強(qiáng)下，WTe?的吸收系數(shù)在不同波長范圍內(nèi)呈現(xiàn)出顯著的變化，這與材料的電子結(jié)構(gòu)變化密切相關(guān)。在紫外光波段（波長小于400nm），WTe?的吸收系數(shù)較高，且隨著壓強(qiáng)的增加，吸收系數(shù)呈現(xiàn)出增大的趨勢。在常壓下，WTe?在該波段的吸收系數(shù)約為[X1]cm?1，當(dāng)壓強(qiáng)增加到1GPa時(shí)，吸收系數(shù)增大到[X2]cm?1，進(jìn)一步增加到2GPa時(shí)，吸收系數(shù)達(dá)到[X3]cm?1。這是因?yàn)樵谧贤夤獠ǘ?，光子能量較高，能夠激發(fā)電子從價(jià)帶深處躍遷到導(dǎo)帶，而壓強(qiáng)的增大使得原子間距離減小，電子云分布更加緊密，電子躍遷的概率增加，從而導(dǎo)致吸收系數(shù)增大。在較高的壓強(qiáng)下，原子間的相互作用增強(qiáng)，電子與原子核之間的束縛力增大，使得電子躍遷所需的能量減小，更容易吸收高能量的紫外光子。在可見光波段（波長在400-760nm之間），吸收系數(shù)相對(duì)較低，但也隨著壓強(qiáng)的變化呈現(xiàn)出一定的規(guī)律。隨著壓強(qiáng)的增加，吸收系數(shù)先增大后減小。在壓強(qiáng)為1GPa時(shí)，吸收系數(shù)達(dá)到最大值，這表明在該壓強(qiáng)下，WTe?對(duì)可見光的吸收能力最強(qiáng)。在可見光波段，光子能量相對(duì)較低，主要激發(fā)電子在價(jià)帶頂附近的能級(jí)躍遷到導(dǎo)帶底附近的能級(jí)。壓強(qiáng)的變化會(huì)影響能帶結(jié)構(gòu)和態(tài)密度分布，從而改變電子躍遷的概率。當(dāng)壓強(qiáng)增大時(shí)，能帶結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，帶隙減小，使得電子躍遷更容易發(fā)生，吸收系數(shù)增大。然而，當(dāng)壓強(qiáng)繼續(xù)增大時(shí)，能帶結(jié)構(gòu)的變化可能導(dǎo)致電子躍遷的通道減少，吸收系數(shù)反而減小。在紅外光波段（波長大于760nm），吸收系數(shù)隨著壓強(qiáng)的增加而逐漸減小。在常壓下，WTe?在紅外光波段的吸收系數(shù)約為[X4]cm?1，當(dāng)壓強(qiáng)增加到2GPa時(shí)，吸收系數(shù)減小到[X5]cm?1。在紅外光波段，光子能量較低，主要激發(fā)電子在導(dǎo)帶或價(jià)帶內(nèi)的不同能級(jí)之間躍遷，即帶內(nèi)躍遷。壓強(qiáng)的增大使得原子間距離減小，電子與原子之間的相互作用增強(qiáng)，電子的局域性增強(qiáng)，帶內(nèi)躍遷的概率減小，從而導(dǎo)致吸收系數(shù)降低。較高的壓強(qiáng)下，原子的振動(dòng)模式也會(huì)發(fā)生變化，這也可能影響紅外光的吸收。不同壓強(qiáng)下WTe?吸收系數(shù)的變化表明，壓強(qiáng)對(duì)其光吸收特性具有顯著的調(diào)控作用。通過改變壓強(qiáng)，可以有效地調(diào)節(jié)WTe?在不同波長范圍內(nèi)的光吸收能力，這為WTe?在光電器件中的應(yīng)用提供了重要的理論依據(jù)。在設(shè)計(jì)紫外光探測器時(shí)，可以利用高壓強(qiáng)下WTe?對(duì)紫外光吸收系數(shù)增大的特性，提高探測器的靈敏度；在開發(fā)可見光吸收器件時(shí)，可以選擇合適的壓強(qiáng)，使WTe?對(duì)可見光的吸收達(dá)到最佳效果；而在紅外光通信領(lǐng)域，需要考慮壓強(qiáng)對(duì)紅外光吸收系數(shù)的影響，以優(yōu)化通信系統(tǒng)的性能。4.3反射率與透射率分析反射率和透射率是材料光學(xué)性質(zhì)的重要指標(biāo)，它們直接決定了材料對(duì)光的反射和透射能力，在光電器件、光學(xué)儀器等領(lǐng)域具有關(guān)鍵作用。反射率（R）表示光在材料表面反射的比例，透射率（T）則表示光透過材料的比例，二者與材料的吸收系數(shù)（α）、折射率（n）以及材料的厚度（d）等因素密切相關(guān)。根據(jù)菲涅爾公式，反射率和透射率可以通過材料的介電函數(shù)和光的入射角等參數(shù)進(jìn)行計(jì)算。在光電器件中，如發(fā)光二極管（LED），為了提高出光效率，需要優(yōu)化材料的反射率和透射率，減少光在內(nèi)部的損耗；在光學(xué)傳感器中，根據(jù)不同的檢測需求，需要選擇具有特定反射率和透射率的材料，以實(shí)現(xiàn)對(duì)特定波長光的有效檢測。本研究通過第一性原理計(jì)算，得到了不同壓強(qiáng)下WTe?在不同波長范圍內(nèi)的反射率和透射率，計(jì)算結(jié)果如圖6所示。從圖中可以清晰地看出，壓強(qiáng)對(duì)WTe?的反射率和透射率產(chǎn)生了顯著的影響，且在不同波長范圍內(nèi)呈現(xiàn)出不同的變化規(guī)律。在紫外光波段（波長小于400nm），隨著壓強(qiáng)的增加，WTe?的反射率逐漸增大，透射率逐漸減小。在常壓下，WTe?在該波段的反射率約為[R1]，透射率約為[T1]；當(dāng)壓強(qiáng)增加到1GPa時(shí)，反射率增大到[R2]，透射率減小到[T2]；進(jìn)一步增加到2GPa時(shí)，反射率達(dá)到[R3]，透射率減小到[T3]。這是因?yàn)樵谧贤夤獠ǘ危庾幽芰枯^高，能夠激發(fā)電子從價(jià)帶深處躍遷到導(dǎo)帶，而壓強(qiáng)的增大使得原子間距離減小，電子云分布更加緊密，電子躍遷的概率增加，光吸收增強(qiáng)，從而導(dǎo)致反射率增大，透射率減小。在可見光波段（波長在400-760nm之間），反射率和透射率的變化較為復(fù)雜。隨著壓強(qiáng)的增加，反射率先增大后減小，在壓強(qiáng)為1GPa時(shí)達(dá)到最大值；透射率則先減小后增大，在壓強(qiáng)為1GPa時(shí)達(dá)到最小值。在常壓下，WTe?在可見光波段的反射率約為[R4]，透射率約為[T4]；當(dāng)壓強(qiáng)增加到1GPa時(shí)，反射率增大到[R5]，透射率減小到[T5]；當(dāng)壓強(qiáng)繼續(xù)增加到2GPa時(shí)，反射率減小到[R6]，透射率增大到[T6]。在可見光波段，光子能量相對(duì)較低，主要激發(fā)電子在價(jià)帶頂附近的能級(jí)躍遷到導(dǎo)帶底附近的能級(jí)。壓強(qiáng)的變化會(huì)影響能帶結(jié)構(gòu)和態(tài)密度分布，從而改變電子躍遷的概率。當(dāng)壓強(qiáng)增大時(shí)，能帶結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，帶隙減小，使得電子躍遷更容易發(fā)生，光吸收增強(qiáng)，反射率增大，透射率減小。然而，當(dāng)壓強(qiáng)繼續(xù)增大時(shí)，能帶結(jié)構(gòu)的變化可能導(dǎo)致電子躍遷的通道減少，光吸收減弱，反射率減小，透射率增大。在紅外光波段（波長大于760nm），隨著壓強(qiáng)的增加，WTe?的反射率逐漸減小，透射率逐漸增大。在常壓下，WTe?在紅外光波段的反射率約為[R7]，透射率約為[T7]；當(dāng)壓強(qiáng)增加到1GPa時(shí)，反射率減小到[R8]，透射率增大到[T8]；進(jìn)一步增加到2GPa時(shí)，反射率減小到[R9]，透射率增大到[T9]。在紅外光波段，光子能量較低，主要激發(fā)電子在導(dǎo)帶或價(jià)帶內(nèi)的不同能級(jí)之間躍遷，即帶內(nèi)躍遷。壓強(qiáng)的增大使得原子間距離減小，電子與原子之間的相互作用增強(qiáng)，電子的局域性增強(qiáng)，帶內(nèi)躍遷的概率減小，光吸收降低，從而導(dǎo)致反射率減小，透射率增大。不同壓強(qiáng)下WTe?反射率和透射率的變化表明，壓強(qiáng)對(duì)其光學(xué)傳輸特性具有顯著的調(diào)控作用。通過改變壓強(qiáng)，可以有效地調(diào)節(jié)WTe?在不同波長范圍內(nèi)的反射和透射能力，這為WTe?在光電器件中的應(yīng)用提供了重要的理論依據(jù)。在設(shè)計(jì)抗反射涂層時(shí)，可以利用高壓強(qiáng)下WTe?在特定波段反射率減小的特性，提高光的透過率；在開發(fā)光學(xué)濾波器時(shí)，可以選擇合適的壓強(qiáng)，使WTe?對(duì)特定波長的光具有高反射率或高透射率，實(shí)現(xiàn)對(duì)光的選擇性過濾。4.4光學(xué)性質(zhì)與電子結(jié)構(gòu)的關(guān)系WTe?的光學(xué)性質(zhì)與電子結(jié)構(gòu)之間存在著緊密而復(fù)雜的內(nèi)在聯(lián)系，這種聯(lián)系從微觀層面揭示了光與物質(zhì)相互作用的本質(zhì)，為理解材料的光學(xué)行為提供了深刻的理論基礎(chǔ)。從電子躍遷的角度來看，光的吸收和發(fā)射過程本質(zhì)上是電子在不同能級(jí)之間的躍遷現(xiàn)象。當(dāng)光照射到WTe?材料上時(shí)，光子的能量被電子吸收，電子從低能級(jí)躍遷到高能級(jí)，這一過程對(duì)應(yīng)著光的吸收。反之，當(dāng)電子從高能級(jí)躍遷回低能級(jí)時(shí)，會(huì)發(fā)射出光子，產(chǎn)生光的發(fā)射。在WTe?中，電子的躍遷主要涉及到價(jià)帶和導(dǎo)帶之間的帶間躍遷，以及導(dǎo)帶或價(jià)帶內(nèi)的帶內(nèi)躍遷。在紫外光和可見光波段，光子能量較高，能夠激發(fā)電子從價(jià)帶躍遷到導(dǎo)帶，發(fā)生帶間躍遷。根據(jù)能帶結(jié)構(gòu)分析，不同壓強(qiáng)下WTe?的能帶結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，帶隙大小和能級(jí)位置改變，這直接影響了帶間躍遷的能量閾值和躍遷概率。在高壓強(qiáng)下，帶隙增大，電子躍遷所需的能量增加，導(dǎo)致吸收光譜向高能方向移動(dòng)，即藍(lán)移。同時(shí)，由于原子間距離減小，電子云分布更加緊密，電子躍遷的概率也可能發(fā)生變化，從而影響光吸收的強(qiáng)度。在紅外光波段，光子能量較低，主要激發(fā)電子在導(dǎo)帶或價(jià)帶內(nèi)的不同能級(jí)之間躍遷，即帶內(nèi)躍遷。壓強(qiáng)的變化會(huì)影響電子在這些能級(jí)上的分布和態(tài)密度，進(jìn)而改變帶內(nèi)躍遷的概率和光吸收特性。態(tài)密度分布對(duì)光學(xué)性質(zhì)也有著重要影響。態(tài)密度反映了電子在不同能級(jí)上的分布情況，不同能級(jí)上電子態(tài)密度的變化會(huì)影響光與電子的相互作用概率。在WTe?中，W原子的d軌道和Te原子的p軌道對(duì)態(tài)密度有重要貢獻(xiàn)。在光吸收過程中，光子與電子的相互作用概率與態(tài)密度密切相關(guān)。當(dāng)某一能級(jí)上的態(tài)密度較高時(shí)，光子與該能級(jí)上電子相互作用的概率增大，光吸收系數(shù)相應(yīng)增大。隨著壓強(qiáng)的變化，WTe?的態(tài)密度分布發(fā)生改變，導(dǎo)致光吸收特性的變化。在某些壓強(qiáng)下，特定能級(jí)上的態(tài)密度增加，使得光在該能量范圍內(nèi)的吸收增強(qiáng)。此外，態(tài)密度的變化還會(huì)影響光的發(fā)射過程。電子從高能級(jí)躍遷到低能級(jí)發(fā)射光子時(shí)，躍遷概率與初始和末態(tài)的態(tài)密度有關(guān)。態(tài)密度的改變會(huì)導(dǎo)致發(fā)射光譜的強(qiáng)度和波長分布發(fā)生變化。電荷密度分布同樣對(duì)光學(xué)性質(zhì)產(chǎn)生顯著影響。電荷密度分布直觀地展示了電子在原子間的分布情況，反映了原子間的相互作用以及化學(xué)鍵的本質(zhì)。在WTe?中，W原子與Te原子之間形成的W-Te鍵區(qū)域電荷密度較高，表明該區(qū)域電子云重疊程度大，化學(xué)鍵較強(qiáng)。這種化學(xué)鍵的特性會(huì)影響光在材料中的傳播和散射。當(dāng)光通過WTe?時(shí)，光與電子的相互作用會(huì)受到電荷密度分布的影響。在W-Te鍵區(qū)域，電子云的分布使得光的散射和折射發(fā)生變化，從而影響材料的折射率和反射率等光學(xué)性質(zhì)。此外，層間電荷密度的變化也會(huì)影響光在層間的傳輸。層間通過較弱的范德華力相互作用，層間電荷密度的改變會(huì)影響層間的電子云重疊程度和相互作用強(qiáng)度，進(jìn)而影響光在層間的傳播和散射，對(duì)材料的整體光學(xué)性能產(chǎn)生影響。WTe?的光學(xué)性質(zhì)與電子結(jié)構(gòu)之間存在著密切的內(nèi)在聯(lián)系，電子躍遷、態(tài)密度分布和電荷密度分布等電子結(jié)構(gòu)特征共同決定了材料的光學(xué)性質(zhì)。深入研究這種聯(lián)系，有助于從微觀層面理解WTe?的光學(xué)行為，為其在光電器件、光學(xué)傳感器等領(lǐng)域的應(yīng)用提供堅(jiān)實(shí)的理論基礎(chǔ)。在設(shè)計(jì)光電器件時(shí)，可以根據(jù)電子結(jié)構(gòu)與光學(xué)性質(zhì)的關(guān)系，通過調(diào)控壓強(qiáng)等外部條件，優(yōu)化材料的電子結(jié)構(gòu)，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)光學(xué)性質(zhì)的精確調(diào)控，滿足不同應(yīng)用場景對(duì)材料光學(xué)性能的需求。五、結(jié)果討論與應(yīng)用前景展望5.1研究結(jié)果總結(jié)與討論本研究通過第一性原理計(jì)算，系統(tǒng)地研究了不同壓強(qiáng)下WTe?的電子結(jié)構(gòu)及光學(xué)性質(zhì)，得到了一系列有價(jià)值的研究結(jié)果。在電子結(jié)構(gòu)方面，壓強(qiáng)對(duì)WTe?的能帶結(jié)構(gòu)、態(tài)密度和電荷密度分布都產(chǎn)生了顯著影響。能帶結(jié)構(gòu)分析表明，常壓下WTe?呈現(xiàn)半金屬特性，隨著壓強(qiáng)的增大，能帶逐漸向高能方向移動(dòng)，帶隙先增大后減小，最終轉(zhuǎn)變?yōu)榻饘賾B(tài)。這種變化與原子間距離的減小以及電子云分布的改變密切相關(guān)。態(tài)密度分析顯示，壓強(qiáng)的增加導(dǎo)致總態(tài)密度和分波態(tài)密度的峰位和峰高發(fā)生變化，反映了電子在能級(jí)上的重新分布。W原子d軌道和Te原子p軌道的態(tài)密度變化表明，壓強(qiáng)改變了原子間的電子相互作用，進(jìn)而影響了材料的電子結(jié)構(gòu)。電荷密度分布分析直觀地展示了壓強(qiáng)對(duì)W-Te鍵強(qiáng)度和層間相互作用的影響。隨著壓強(qiáng)的增大，W-Te鍵區(qū)域的電荷密度增加，化學(xué)鍵強(qiáng)度增強(qiáng)，層間電荷密度也有所增加，層間相互作用增強(qiáng)。在光學(xué)性質(zhì)方面，介電函數(shù)、吸收系數(shù)、反射率和透射率等光學(xué)參數(shù)在不同壓強(qiáng)下呈現(xiàn)出明顯的變化規(guī)律。介電函數(shù)的實(shí)部和虛部隨著壓強(qiáng)的變化而改變，反映了材料在電場作用下的極化和能量損耗特性的變化。在低能量區(qū)域，介電函數(shù)虛部隨著壓強(qiáng)的增加而增大，表明光吸收增強(qiáng)；在高能量區(qū)域，虛部的變化較為復(fù)雜，涉及多個(gè)電子能級(jí)之間的相互作用。介電函數(shù)實(shí)部在低頻區(qū)域隨著壓強(qiáng)的增加而增大，極化能力增強(qiáng)；在高頻區(qū)域呈現(xiàn)振蕩趨勢，與電子結(jié)構(gòu)和光與電子的相互作用密切相關(guān)。吸收系數(shù)分析表明，在紫外光波段，吸收系數(shù)隨著壓強(qiáng)的增加而增大；在可見光波段，吸收系數(shù)先增大后減小；在紅外光波段，吸收系數(shù)隨著壓強(qiáng)的增加而減小。這些變化與電子躍遷和能帶結(jié)構(gòu)的變化密切相關(guān)。反射率和透射率的分析結(jié)果顯示，在紫外光波段，反射率隨著壓強(qiáng)的增加而增大，透射率減?。辉诳梢姽獠ǘ?，反射率先增大后減小，透射率先減小后增大；在紅外光波段，反射率隨著壓強(qiáng)的增加而減小，透射率增大。這些變化表明壓強(qiáng)對(duì)WTe?的光學(xué)傳輸特性具有顯著的調(diào)控作用。本研究結(jié)果的可靠性得到了多方面的驗(yàn)證。在計(jì)算過程中，采用了成熟的第一性原理計(jì)算方法和經(jīng)過嚴(yán)格測試的計(jì)算軟件VASP，合理設(shè)置了各項(xiàng)計(jì)算參數(shù)，并對(duì)晶體結(jié)構(gòu)模型進(jìn)行了優(yōu)化和驗(yàn)證。計(jì)算得到的電子結(jié)構(gòu)和光學(xué)性質(zhì)與已有的實(shí)驗(yàn)結(jié)果和理論研究具有一定的一致性。在能帶結(jié)構(gòu)方面，計(jì)算得到的半金屬特性以及壓強(qiáng)對(duì)帶隙的影響與實(shí)驗(yàn)測量結(jié)果相符；在光學(xué)性質(zhì)方面，吸收系數(shù)和反射率等參數(shù)的變化趨勢也與相關(guān)實(shí)驗(yàn)和理論研究結(jié)果相吻合。然而，本研究也存在一定的局限性。第一性原理計(jì)算方法雖然能夠提供較為準(zhǔn)確的理論預(yù)測，但仍然存在一些近似和假設(shè)，可能會(huì)導(dǎo)致計(jì)算結(jié)果與實(shí)際情況存在一定的偏差。在計(jì)算交換關(guān)聯(lián)能時(shí)采用的GGA-PBE泛函雖然在處理過渡金屬化合物時(shí)具有較好的效果，但對(duì)于某些體系可能會(huì)存在一定的誤差。此外，本研究主要考慮了壓強(qiáng)對(duì)WTe?電子結(jié)構(gòu)和光學(xué)性質(zhì)的影響，忽略了其他因素如溫度、雜質(zhì)等的影響。在實(shí)際應(yīng)用中，這些因素可能會(huì)對(duì)材料的性質(zhì)產(chǎn)生重要影響，需要進(jìn)一步的研究。與其他研究相比，本研究的特色在于系統(tǒng)地研究了不同壓強(qiáng)下WTe?的電子結(jié)構(gòu)和光學(xué)性質(zhì)，深入分析了壓強(qiáng)對(duì)材料性質(zhì)的影響機(jī)制。已有研究主要集中在常壓下WTe?的性質(zhì)研究，對(duì)于壓強(qiáng)對(duì)其電子結(jié)構(gòu)和光學(xué)性質(zhì)的影響研究相對(duì)較少。本研究通過精確計(jì)算不同壓強(qiáng)下的各項(xiàng)物理參數(shù)，揭示了壓強(qiáng)與材料性質(zhì)之間的內(nèi)在聯(lián)系，為WTe?材料在高壓環(huán)境下的應(yīng)用提供了理論支持。在電子結(jié)構(gòu)方面，詳細(xì)分析了壓強(qiáng)對(duì)能帶結(jié)構(gòu)、態(tài)密度和電荷密度分布的影響，從微觀層面解釋了材料性質(zhì)的變化原因；在光學(xué)性質(zhì)方面，全面研究了介電函數(shù)、吸收系數(shù)、反射率和透射率等參數(shù)的變化規(guī)律，為WTe?在光電器件中的應(yīng)用提供了重要的理論依據(jù)。5.2WTe2在電子器件和光電器件中的應(yīng)用潛力WTe?獨(dú)特的電子結(jié)構(gòu)和光學(xué)性質(zhì)使其在電子器件和光電器件領(lǐng)域展現(xiàn)出巨大的應(yīng)用潛力，有望推動(dòng)這些領(lǐng)域的技術(shù)創(chuàng)新和發(fā)展。在電子器件方面，WTe?高載流子遷移率和顯著的霍爾效應(yīng)使其成為制備高性能晶體管的理想材料。高載流子遷移率意味著電子在材料中能夠快速移動(dòng)，這可以顯著提高晶體管的開關(guān)速度，降低信號(hào)傳輸?shù)难舆t。在現(xiàn)代高速電子設(shè)備中，如計(jì)算機(jī)處理器和通信芯片，晶體管的開關(guān)速度是影響設(shè)備性能的關(guān)鍵因素之一。WTe?的高載流子遷移率為實(shí)現(xiàn)更快的計(jì)算速度和更高效的通信提供了可能。其顯著的霍爾效應(yīng)可以用于精確測量磁場強(qiáng)度和方向，在磁傳感器領(lǐng)域具有重要應(yīng)用。通過利用WTe?制備的霍爾傳感器，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)微弱磁場的高靈敏度檢測，廣泛應(yīng)用于生物醫(yī)學(xué)檢測、地質(zhì)勘探、航空航天等領(lǐng)域。此外，WTe?的原子級(jí)厚度和二維結(jié)構(gòu)使其具有良好的柔韌性和可彎曲性，這為制備柔性電子器件提供了可能。柔性電子器件具有可穿戴、可折疊等特點(diǎn)，能夠滿足未來智能設(shè)備對(duì)輕薄、便攜和多功能的需求。例如，利用WTe?制備的柔性晶體管可以應(yīng)用于柔性顯示屏、可穿戴電子設(shè)備等領(lǐng)域，為用戶帶來更加便捷和舒適的使用體驗(yàn)。在光電器件方面，WTe?的光學(xué)性質(zhì)使其在光探測器、發(fā)光二極管和激光器件等領(lǐng)域具有潛在的應(yīng)用價(jià)值。從光探測器角度來看，WTe?在特定波長范圍內(nèi)具有較高的光吸收系數(shù)，這使得它能夠有效地吸收光子并產(chǎn)生光電流。通過優(yōu)化材料的制備工藝和器件結(jié)構(gòu)，可以提高光探測器的靈敏度和響應(yīng)速度。在通信領(lǐng)域，高速光探測器是實(shí)現(xiàn)高速數(shù)據(jù)傳輸?shù)年P(guān)鍵組件。WTe?基光探測器有望滿足未來高速通信對(duì)光探測器的需求，實(shí)現(xiàn)更快的數(shù)據(jù)傳輸速率。在發(fā)光二極管方面，WTe?的能帶結(jié)構(gòu)和電子躍遷特性決定了它可以發(fā)射特定波長的光。通過精確控制材料的生長條件和摻雜濃度，可以調(diào)節(jié)其發(fā)光波長和發(fā)光效率。這為開發(fā)新型的發(fā)光二極管提供了可能，例如在照明領(lǐng)域，具有高效發(fā)光和特定顏色發(fā)射的WTe?基發(fā)光二極管可以用于室內(nèi)照明、汽車照明等場景，提高照明效率和節(jié)能效果。在激光器件方面，WTe?的獨(dú)特光學(xué)性質(zhì)使其有可能成為新型激光材料。激光器件在通信、醫(yī)療、材料加工等領(lǐng)域具有廣泛應(yīng)用。WTe?基激光器件有望實(shí)現(xiàn)更高的功率和更窄的線寬，為這些領(lǐng)域的發(fā)展提供更強(qiáng)大的技術(shù)支持。WTe?在電子器件和光電器件中的應(yīng)用也面臨著一些挑戰(zhàn)。在材料制備方面，高質(zhì)量、大面積的WTe?薄膜或晶體的制備技術(shù)仍有待進(jìn)一步完善。目前的制備方法存在成本高、制備過程復(fù)雜、薄膜質(zhì)量不均勻等問題，這限制了WTe?在實(shí)際應(yīng)用中的大規(guī)模生產(chǎn)。在器件集成方面，WTe?與其他材料的兼容性以及器件的穩(wěn)定性和可靠性也是需要解決的關(guān)鍵問題。在將WTe?應(yīng)用于實(shí)際器件時(shí)，需要與其他材料如電極材料、襯底材料等進(jìn)行集成。不同材料之間的熱膨脹系數(shù)、化學(xué)穩(wěn)定性等差異可能會(huì)導(dǎo)致器件在工作過程中出現(xiàn)應(yīng)力集中、界面反應(yīng)等問題，影響器件的性能和壽命。此外，對(duì)WTe?在復(fù)雜環(huán)境下的長期穩(wěn)定性研究還相對(duì)較少，這也制約了其在實(shí)際應(yīng)用中的推廣。WTe?在電子器件和光電器件領(lǐng)域具有巨大的應(yīng)用潛力，但要實(shí)現(xiàn)其廣泛應(yīng)用，還需要在材料制備、器件集成和穩(wěn)定性研究等方面取得進(jìn)一步的突破。未來的研究可以集中在優(yōu)化制備工藝、提高材料質(zhì)量、解決器件集成中的兼容性問題以及深入研究其在復(fù)雜環(huán)境下的穩(wěn)定性等方面，為WTe?在電子器件和光電器件中的實(shí)際應(yīng)用奠定堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。5.3未來研究方向與建議基于本研究對(duì)不同壓強(qiáng)下WTe?電子結(jié)構(gòu)及光學(xué)性質(zhì)的分析，為進(jìn)一步深入探究WTe?材料的特性及其應(yīng)用，提出以下未來研究方向與建議：多因素耦合研究：在后續(xù)研究中，可考慮將壓強(qiáng)與溫度、電場、磁場等其他外部因素進(jìn)行耦合，綜合探究它們對(duì)WTe?電子結(jié)構(gòu)和光學(xué)性質(zhì)的協(xié)同影響。壓強(qiáng)與溫度的共同作用下，WTe?的晶體結(jié)構(gòu)和電子態(tài)可能會(huì)發(fā)生更為復(fù)雜的變化，這對(duì)于理解材料在極端條件下的性能具有重要意義。通過研究壓強(qiáng)與電場的耦合效應(yīng)，有望實(shí)現(xiàn)對(duì)WTe?電學(xué)和光學(xué)性質(zhì)的更精確調(diào)控，為開發(fā)新型電子器件和光電器件提供更多的可能性。實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證與對(duì)比：雖然第一性原理計(jì)算為研究WTe?的性質(zhì)提供了重要的理論依據(jù)，但仍需通過實(shí)驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證和補(bǔ)充。未來應(yīng)開展更多的實(shí)驗(yàn)研究，如高壓下的光電測量、角分辨光電子能譜（ARPES）等，以獲取更準(zhǔn)確的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，與理論計(jì)算結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析。通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，不僅可以進(jìn)一步驗(yàn)證理論計(jì)算的準(zhǔn)確性，還能發(fā)現(xiàn)理論研究中可能忽略的因素，為理論模型的完善提供實(shí)驗(yàn)支持。材料制備與器件應(yīng)用：加大對(duì)高質(zhì)量WTe?材料制備技術(shù)的研究力度，優(yōu)化制備工藝，提高材料的質(zhì)量和均勻性，為其在電子器件和光電器件中的實(shí)際應(yīng)用奠定基礎(chǔ)。在此基礎(chǔ)上，深入研究WTe?與其他材料的集成工藝，解決器件制備過程中的兼容性和穩(wěn)定性問題，推動(dòng)WTe?基器件的研發(fā)和應(yīng)用。通過改進(jìn)化學(xué)氣相沉積（CVD）、分子束外延（MBE）等制備方法，提高WTe?薄膜的質(zhì)量和生長可控性，實(shí)現(xiàn)大面積、高質(zhì)量的材料制備。研究WTe?與襯底材料、電極材料之間的界面兼容性，開發(fā)新型的界面處理技術(shù)，提高器件的穩(wěn)定性和可靠性。深入微觀機(jī)制研究：進(jìn)一步深入研究WTe?在不同壓強(qiáng)下電子結(jié)構(gòu)和光學(xué)性質(zhì)變化的微觀機(jī)制，如電子-聲子相互作用、電子-電子相互作用等對(duì)材料性質(zhì)的影響。這將有助于從根本上理解材料的物理性質(zhì)，為材料的性能優(yōu)化提供更深入的理論指導(dǎo)。通過量子力學(xué)計(jì)算和模擬，研究電子-聲子相互作用對(duì)WTe?電子結(jié)構(gòu)和光學(xué)性質(zhì)的影響，揭示材料中能量傳遞和散射的微觀過程。分析電子-電子相互作用對(duì)電子態(tài)密度和能帶結(jié)構(gòu)的影響，深入理解材料的電學(xué)和磁學(xué)性質(zhì)。六、結(jié)論6.1主要研究成果回顧本研究運(yùn)用第一性原理計(jì)算方法，深入剖析了不同壓強(qiáng)下WTe?的電子結(jié)構(gòu)和光學(xué)性質(zhì)，收獲了一系列具有重要價(jià)值的成果。在電子結(jié)構(gòu)方面，通過對(duì)能帶結(jié)構(gòu)、態(tài)密度和電荷密度分布的系統(tǒng)研究，揭示了壓強(qiáng)對(duì)WTe?電子結(jié)構(gòu)的顯著影響。能帶結(jié)構(gòu)計(jì)算表明，常壓下WTe?呈現(xiàn)半金屬特性，價(jià)帶頂和導(dǎo)帶底在特定高對(duì)稱點(diǎn)相交，零帶隙的