MoS₂體系的Cu原子吸附效應研究

孫金芳

【摘 要】本文基于第一性原理，利用Materials Studio軟件中的castep模塊，計算了Cu原子在單層和雙層MoS2晶體中的吸附效果以及對整個體系性能的影響。結果表明：對于層表面吸附和層間吸附的穩定性有所差異。對單層和雙層的MoS2表面吸附情況分析可知，TMo吸附位置最穩定，對于雙層間吸附性，BMo吸附位置最穩定。

【Abstract】Based on the first principle， this paper uses the castep module in Materials Studio software to calculate the adsorption effect of Cu atoms in single-layer and double-layer MoS2 crystals and the influence on the performance of the whole system. The results show that the stability of layer surface adsorption and interlayer adsorption is different. The adsorption of single layer and double layer on the adsorption of MoS2 surface shows that the TMo adsorption position is the most stable one. For the adsorbability between two layers， the location of BMo adsorption is the most stable one.

【關鍵詞】第一性原理；MoS2；Cu原子；吸附

【Keywords】 first principle； MoS2； Cu atom； adsorption

【中圖分類號】U283.5 【文獻標志碼】A 【文章編號】1673-1069（2018）04-0164-02

1 引言

MoS2作為一種典型的層狀過渡金屬硫族化合物，因其單層存在直接帶隙，其能帶結構優于零帶隙的石墨烯，是一種性能優良的半導體材料，在電磁學和電子器件等技術領域都有很大的應用價值[1]。體MoS2所在的空間群為P6_3/mmc，其結構為間接帶隙半導體，帶寬為1.29eV，層與層間通過范德瓦爾斯力相結合的。類似于石墨烯，單層和少數層MoS2可通過機械剝離技術剝離出來，且單層MoS2層內的Mo原子和S原子之間形成強共價鍵，因此單層結構非常穩定，這種容易制備又穩定的材料引起了研究者們的廣泛關注。

2 計算模型

在計算過程中，本文采用的軟件是基于密度泛函（DFT）理論的第一性原理計算程序包CASTEP。采用廣義梯度近似中的PBE關聯泛函來對計算中交換關聯勢進行描述。布里淵區我們采用3×3×1k網格[2]。選用平面波函數截斷能為380eV，在結構弛豫過程中，具體參數設置為，能量收斂標準為10-4eV，原子間作用力收斂判據為0.01eV/？魡。

因層狀MoS2具有六角對稱性，我們依次在六個高對稱位置（TMo，TS，Htop，BS，BMo，Hin）放置Cu原子，然后進行弛豫操作。計算過程中分別在單層和雙層表面設置了三個吸附位置。其中，TMo表示放置在Mo原子正上方，TS表示放置在S原子的正上方，Htop表示放置在六元環中心位置[3]。同樣的對于雙層MoS2三個層間吸附的位置分別為：在第一層MoS2中的S原子的正下面記為BS，在第一層Mo原子的正下面記為BMo，在上下兩層由S-Mo-S 構成的六元環的中心記為Hin。由雙層MoS2的結構對稱性可知BS和BMo的位置是等效的，所以在計算時只考慮了BS和Hin兩個位置。構建4*4的MoS2超胞，Cu原子吸附在MoS2不同位置的構型如圖1（c，d，e）所示。 4*4的超胞能夠保證兩個相鄰Cu原子在間距超過10？魡，這樣可以忽略它們之間的相互作用力。同時為了減小層間原子的相互影響，在z方向上建立10？魡的真空層。在計算中，二維超胞的晶格參數我們參照單胞的實驗參數a=3.16？魡，獲得在xy平面， b=c=12.64？魡。為了獲得更優的吸附構型，我們計算了各個系統的吸附能，吸附能定義為：

E（adsorption）=E（Cu+MoS2sheet）-EMoS2sheet-ECu

E（Cu+MoS2sheet）是吸附體系總能， EMoS2sheet是孤立MoS2片的總能，ECu是相對應孤立時金屬Cu原子的總能。當吸附過程放熱時吸附能為負，發生了化學反應，吸附能越小表明過渡金屬Cu原子吸附越穩定。

3 結果分析

通過分析兩個吸附系統中三個位置的吸附能，發現從不同層的MoS2表面吸附性能來看，TMo位置最穩定，對于雙層MoS2的層間吸附來看，BMo位置最穩定。通過分析雙層MoS2的兩種吸附情況發現，層間的BMo位置吸附能最低，最為穩定。這說明對于雙層MoS2，層間吸附更為穩定。通過castep計算結果可知，三個不同結構的MoS2穩定結構中Cu原子和緊鄰S原子成鍵的鍵長以及吸附高度數值。單層和雙層MoS2的表面吸附時，Cu-S鍵長為2.14？魡，吸附高度為0.90？魡，說明層數對吸附穩定性的影響較小。對于雙層MoS2的層間吸附情況，Cu原子和上層三個S原子所形成鍵長皆為2.21？魡，與下層一個S原子所成鍵的鍵長為2.22？魡，這說明所有S原子與Cu原子間的吸附能力相當。

單層和雙層的本征MoS2的態密度（DOS）如圖1和圖2所示，結果表明單層和雙層MoS2的帶隙分別為1.75eV和1.62eV。

圖3和圖4是單層和雙層MoS2表面吸附Cu原子的態密度圖，圖5是雙層MoS2層間吸附Cu原子的態密度圖。從圖中可知，對于三個不同吸附位置的體系，吸附Cu原子后都在原始帶隙中引入了雜質態，而且費米面附近的雜質態是由自旋向下的電子態構成。然而，對于表面吸附體系，從圖3和圖4態密度圖可知雜質態和費米能級之間最小帶寬約為0.2eV。所以，表面吸附體系仍具有半導體特性。對于層間吸附體系，如圖5所示，有部分自旋向下的電子構成的雜質態剛好出現在費米能級附近，從而使得該體系在費米能級附近全部發生自旋極化。這說明在費米能級附近有一個自旋的電子通道，即雙層MoS2層間吸附體系表現出半金屬特性。

本文采用castep模塊計算了單層和雙層MoS2表面吸附和層間吸附金屬原子Cu后的穩定性和電磁學性能。通過計算結果分析得到了一些重要結論。首先，找到了Cu原子吸附在單層和雙層MoS2表面和層間的具體穩定位置，Cu原子和周邊原子間形成了共價鍵；Cu原子吸附后其局域磁矩減小。其次，通過三個不同穩定位置的吸附性能研究，發現Cu原子在表面吸附后，整體仍表現出半導體特性，僅僅在本征體系中引入了雜質態能系。最后，對于Cu原子吸附在雙層MoS2層間，整個系統在費米面附近顯示出了完全自旋極化特征，即整體表現出了半金屬特性。這些現象為MoS2在自旋電子學方面的應用提供了理論支持。

【參考文獻】

【1】曹娟， 崔磊， 潘靖. V，Cr，Mn摻雜MoS2磁性的第一性原理研究[J]. 物理學報， 2013（18）：404-410.

【2】張昌華， 余志強， 廖紅華. Te摻雜單層MoS2 的電子結構與光電性質[J]. 發光學報， 2014， 35（7）：785-790.

【3】李剛， 陳敏強， 趙世雄，等. Se摻雜對單層MoS2電子能帶結構和光吸收性質的影響[J].物理化學學報， 2016，32（12）：2905-2912.