【摘 要】
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二维二硫化钼(MoS_2)是一种二维过渡金属硫化物,具有优异的光学与电学特性,其构成的范德华异质结作为高效光催化材料可以有效防止光生电子和空穴的复合,有希望实现对光催化效率的突破性提升。论文采用第一性原理的方法,对MoS_2与四种新型二维材料Si C,Zn O,Ga S和Ga_2S_3之间所形成的范德华异质结系统性地进行了理论计算研究,探讨了其电学与光催化特性。论文的主要研究内容和成果如下:(1)
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二维二硫化钼（MoS2）是一种二维过渡金属硫化物,具有优异的光学与电学特性,其构成的范德华异质结作为高效光催化材料可以有效防止光生电子和空穴的复合,有希望实现对光催化效率的突破性提升。论文采用第一性原理的方法,对MoS2与四种新型二维材料Si C,Zn O,Ga S和Ga2S3之间所形成的范德华异质结系统性地进行了理论计算研究,探讨了其电学与光催化特性。论文的主要研究内容和成果如下:（1）通过Material Studio软件平台中的Materials Visualizer模块,论文首先构建了各MoS2异质结的结构模型。并且由于Ga2S3几何结构的不对称性,对于MoS2/Ga2S3异质结根据其组成异质结材料的接触面不同,首次建立了两种不同的MoS2/Ga2S3异质结结构分别进行研究。使用CASTEP软件模块中的结构优化功能,对各异质结的不同堆垛方式分别进行结构优化并对形成能进行计算,确定最为稳定的堆垛方式,得到了各异质结优化后的结构模型。（2）基于优化后最为稳定的异质结模型,论文计算了各异质结的能带结构和电子态密度等电学性质。计算结果表明,各二维材料在形成异质结之后其能带结构会发生部分变化,采用HSE06杂化泛函计算得到MoS2/Zn O、MoS2/Si C、MoS2/Ga S以及具有两种结构的MoS2/Ga2S3异质结的带隙值分别为1.267e V、1.356e V、2.24e V、2.054e V和1.547e V。各异质结的带隙值均大于1.23e V,满足PN型光催化异质结的带隙值要求。从各异质结中二维材料对异质结所贡献的能带可以分析出MoS2/Ga S属于Type-I型异质结,而MoS2/Zn O、MoS2/Si C和MoS2/Ga2S3异质结属于更有利于光催化的Type-II型异质结。（3）基于密度泛函理论下的第一性原理方法,在CASTEP软件模块中采用HSE06杂化泛函,论文对MoS2异质结的光催化特性进行了研究。通过对MoS2异质结光学性质中的吸收系数进行分析,发现MoS2/Zn O、MoS2/Si C、MoS2/Ga S以及MoS2/Ga2S3异质结在可见光范围内的光吸收系数相较于组成异质结的单层材料均得到了增强,有助于提高太阳光作为光催化光源时的光催化效率。（4）基于密度泛函理论下的第一性原理方法,同样采用HSE06杂化泛函,论文对各异质结相对于真空能级的带边位置进行了计算。计算结果表明,本文所研究的四种异质结均能在一定p H条件下满足光催化的带边位置要求。MoS2/Zn O、MoS2/Si C、MoS2/Ga S以及MoS2/Ga2S3的两种结构根据其带边所处的位置和带隙值,满足光催化带边位置要求的p H范围分别为:0～0.4、1～2.5、0～4.6、0～4.1、0～14。（5）进一步对各异质结施加了±5%的双轴应变,研究了光催化性能与施加应变的关系。结果表明,张应变能够一定程度提高各异质结在可见光范围内的光吸收能力,但会减小带隙值进而降低光催化氧化能或还原能。压应变能够提高各异质结在紫外光范围内的光吸收能力,但对于除MoS2/Ga2S3的结构I异质结以外的异质结可见光范围内的吸收系数均有所降低。
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