剪切应变下MoS2的电子结构和动力学性质的第一性原理研究
毕业论文关键词：密度泛函理论 二硫化钼 第一性原理 剪切应变
First-principles study of the electronic structure and mechanical properties of MoS2 under shear strain
Abstract：First-principle method based on density functional theory are used to study the structure, mechanical properties, electronic, and dynamical properties of MoS2 under shear strain. The results show that under different shear strain the MoS2 solid keeps the typical layered structure and holds an indirect bandgap. The lattice constant, the volume, and the band gap change significantly at 5% shear strain. When the shear volume increases continuely up to 10%, the change has became less obvious. Surprisingly, MoS2 transforms from P63 / mmc to Cmcm structure,under 15% shear strain. Phonon spectra show that phonon tends to be softened at 5% shear strain, and the MoS2 became unstable when shear strain reaches 10% .
Keywords: Density functional theory; molybdenum disulfide; first-principles; shear strain
目录
第一章 绪论 1
1.1 研究背景 1
1.2 研究意义 2
1.3 主要研究内容 2
第二章 相关理论介绍 3
2.1第一性原理 3
2.1.1 Born-Oppenheimer 绝热近似 4
2.1.2 Hartree 近似 5
2.2密度泛函理论 5
2.2.1 Thomas-Fermi模型 5
2.2.2 Hohenberg-Kohn定理 6
2.2.3 Kohn-Sham方程 6
2.2.4 交换关联泛函 8
2.3软件介绍 8
2.3.1 VASP 8
2.3.1 Materials Studio 9
2.3.1 VESTA 9
第三章 MoS2的结构、动力学及电子特性 10
3.1 基态下MoS2的结构与性质 10
3.1.1 计算参数和结构模型 10
3.1.2电子性质 11
3.1.3 动力学性质 12
3.2 剪切应变下MoS2的相关计算 13
3.2.1 计算参数和结构模型 13
3.2.2电子性质 15
3.2.3动力学性质 18
第四章 总结 20
第一章 绪论
1.1 研究背景
具有良好的光、电、润滑、催化等性能的过渡金属层状二元化合物在科学研究及工业生产中一直受到广泛的关注,其中具有典型层状结构的MoS2更是人们研究的焦点。MoS2是一种黑色优尔方晶系结晶粉末，具有银灰色金属光泽，在自然界中主要以辉钼矿的形式存在。它具有优良的润滑、催化、能量储存及光电等性质。随着近代矿物学、无机化学工艺学以及润滑理论的发展，人们首先发现了MoS2优异的润滑性质。不仅精工制做的胶体MoS2的性能非常优异，而且用它配制的各种润滑材料具有较高的化学稳定性，还能够在高温、高负荷、高速以及有较大化学腐蚀性的环境甚至是真空环境中使用，被称为是万能的润滑材料[1]。因此MoS2成了工业及材料科学研究的热点，但此时大多数的研究集中在MoS2的制备和它优异的润滑性在工业方面的应用上。接着对材料低文结构的研究随着纳米科学技术的发展进入研究热潮，但是刚开始人们认为单层结构是一个虚拟结构模型，应该不会实际存在，比如早在1834年，L.D.Landau和R.E.Peierls俩位理论物理学家就指出由于其自身的热力学不稳定，任何二文和准二文的晶体结构是不能够在有限温度下存在的[2]。1966年，David Mermin和 Herbert Wag ner在以他们名字命名的 Mermin -Wahner理论中指出二文晶体结构的长程有序将会被其表面的凹凸不平所破坏[3]。直到2004年英国曼彻斯特大学的K.S. Novoselov和A.K. Geim两位俄裔科学家利用最普通的胶带在高定向热解石墨上反复剥离，最终首次从石墨中剥离出单个原子层的基本层结构，即石墨烯[4]。石墨烯的发现立即震撼了凝聚态物理界，这一突破性进展为类石墨烯二文原子晶体的制备及其新奇量子效应研究开拓了崭新的领域[5]。MoS2作为传统的类石墨烯过渡族金属硫化物的典型代表也被列入研究范围，并且在2010 年，Heinz 研究组从MoS2晶体成功剥离出单层 MoS2[6],至此对MoS2的研究已经进入低文结构的研究，近几年有关单层MoS2的各种性质的第一性研究非常多，其中，黄宗玉[5]发表的关于类石墨烯MoS2的第一性原理研究中就对类石墨烯MoS2的结构、能带特征、光电性质及其他性质进行了详细的论述，同时还讨论了单双层MoS2的Fe原子吸附效应，层间参杂效应以及不同晶格应变对单层MoS2能带结构的调控作用。在吴木生[7]等人发表的应变对单层MoS2能带的第一性原理研究中又对单层MoS2在双轴拉应变下的电子结构性质进行了深入的分析。但总结以上对MoS2的研究历程发现对块体的MoS2在剪切应变下的电子和动力学特性研究很少。因此，本文将对块体的MoS2的结构，电子性质及动力学性质进行第一性原理研究，并进一步深入研究在不同剪切应变下块体MoS2的结构，动力学和电子性质的变化。
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