近年來,低維材料由于優(yōu)異的物理化學性質在諸多領域展現(xiàn)出巨大的應用潛力。在低維材料嶄露頭角的各領域中,光催化制氫占據了一席之地,是緩解當下能源危機和環(huán)境污染問題的有效手段。相比于三維體系,低維納米材料具有更高的比表面積、更高的載流子遷移率和更易調控的化學特性,因此可以極大地提高光解水制氫的效率,是非常有潛力的光催化劑。然而,目前的低維光催化劑的載流子復合率仍然較高,難以滿足實際要求。因此,開發(fā)新型高效的光催化劑仍然是迫切需求。另一方面,要使低維材料更好地投入實際應用,我們首先應合成高質量的低維材料;在這個過程中,基底是必不可少的。合適的基底材料不僅可以用來支撐低維材料,使其得以大面積、高質量地生長,又能夠保持二維材料原有的優(yōu)良性質,使其免受基底影響。因此,為低維材料尋找合適的基底材料,甚至與尋找優(yōu)秀的低維材料本身同樣重要。本文圍繞上述問題,通過基于密度泛函理論和含時密度泛函理論的第一性原理計算方法討論了兩種低維材料(Janus MoSSe納米管和平面銻烯單層)的電子性質,進一步系統(tǒng)研究了 MoSSe納米管在光催化領域的應用潛力,然后又為平面銻烯提供了兩種合適的惰性基底。本論文共分為五章,第一章簡要介紹了近些年來以二維材料為主的低維納米材料的研究現(xiàn)狀以及發(fā)展方向;第二章詳細介紹了本論文所用到的基于密度泛函理論和含時密度泛函理論的第一性原理計算方法和所使用的程序包;第三章系統(tǒng)地研究了一維Janus MoSSe納米管的電子結構和光催化相關性質;第四章針對二維平面銻烯缺乏合適基底的問題,我們系統(tǒng)地討論了三種基底對其電子性質的影響;在第五章中我們總結了本論文的主要研究內容和創(chuàng)新點,并對這一研究方向做了展望。本文主要研究內容和結論如下:(1)過渡金屬硫化物在光催化應用方面已經表現(xiàn)出巨大的應用潛力。這里通過含時密度泛函結合非絕熱分子動力學的方法,我們發(fā)現(xiàn)一維Janus MoSSe納米管是一種效率非常高的光催化劑。我們的計算結果表明它有著合適的帶隙,并且?guī)н呂恢猛昝赖貪M足了水分解反應所需要的氧化還原電勢。此外,這種特殊的納米管在可見光區(qū)域展示出良好的光吸收性能。最重要的是,由于納米管的內建電場,這個體系存在一個超長的載流子壽命(33 ns),這個壽命甚至和Ti02是相當?shù)�。如此長的載流子壽命能夠有效地抑制光生電子空穴的復合,帶來更高的太陽光轉化效率。這些優(yōu)秀的特性使得Janus MoSSe納米管成為一個非常有潛力的光催化劑候選者。該工作為實驗開發(fā)新型高效的納米光催化劑提供了重要的理論依據。(2)平面銻烯最近在實驗上首次合成,是一種非常有潛力的二維材料。然而,它獨特的電子性質會銀基底破壞,從而限制了它的進一步研究和實際應用。我們通過第一性原理計算提出h-BN和氫鈍化的SiC(0001)是平面銻烯的兩種理想的基底。這兩種基底與平面銻烯結合時表現(xiàn)出明顯的范德瓦爾斯相互作用,從而具有很低的結合能和很大的層間距。最重要的是,平面銻烯中費米能級附近的能帶結構被完美的保留下來,同時兩種大帶隙基底的帶邊位置則距離費米能級很遠。此外,上述特性并不受堆積方式的影響,使得這兩種基底更加適合用于生長平面銻烯。本文的結果為觀測平面銻烯的電子結構和拓撲特性提供了有效的方法,因此會極大的提高它的科學影響力。
【學位單位】：山東大學
【學位級別】：碩士
【學位年份】：2020
【中圖分類】：TB383.1
【部分圖文】：

０個隨機數(shù)序列來計算面躍遷概率。??３．３結果與討論??３．３．１幾何結構與電子性質??同碳納米管相似，通過將ＭｏＳＳｅ單層沿特定方向彎曲就可以獲得一維單壁??納米管［３１，３２］。根據之前的研宄，扶手型的ＭｏＳＳｅ納米管比鋸齒型的ＭｏＳＳｅ納??米管更加穩(wěn)定［３２］。另一方面，鑒于扶手型的碳納米管會隨著尺寸的增大，從間??接帶隙半導體轉變?yōu)橹苯訋栋雽w［３１，３２］，所以這篇文章中我們選取略大于??臨界尺寸的Ａ２８型ＭｏＳＳｅ納米管為對象來討論它的電子性質和光催化特性。如??圖３－ｌ（ａ）所示，Ａ２８型ＭｏＳＳｅ納米管（Ａ－ＮＴ）的單胞包含２８個ＭｏＳＳｅ單元，??而它的橫截面是鋸齒型的。優(yōu)化后的Ａ－ＮＴ直徑為２５．３４?Ａ。平面的ＭｏＳＳｅ單層??中，Ｍｏ－Ｓ和Ｍｏ－Ｓｅ鍵長分別為２．４２Ａ和２．５３Ａ。彎曲成納米管之后，Ｍｏ－Ｓ鍵??被壓縮成２．３８?Ａ和２．４０?Ａ，而Ｍｏ－Ｓｅ鍵被拉伸成２．５６?Ａ和２．５８?Ａ。Ａ－ＮＴ的穩(wěn)??定性對于是否能夠實驗制備和實際應用也很重要。在３００Ｋ的溫度下，我們進行??了絕熱分子動力學模擬來研宄它的熱力學穩(wěn)定性。在經歷了?５ｐｓ的模擬后，Ａ－??ＮＴ的原子結構沒有明顯變化，表明這種結構在室溫下依然有良好的穩(wěn)定性。??＾?６?＾?ｒ?Ｋ＊?Ｚ?Ｄｃｍｉｔｖ?Ｏｆ?Ｓｔａｔｅｓ??圖３－１：?Ａ－ＮＴ的俯視圖（ａ）和側視圖（ｂ）。（ｃ）?Ａ－ＮＴ的能帶結構和投影態(tài)密度，藍??色虛線表示費米能級??現(xiàn)在我們來討論ＭｏＳＳｅ納米管的電子性質。首先通過使用ＰＢＥ泛函計算得??到的單層ＭｏＳＳｅ的帶隙為１．５８ｅＶ，這一數(shù)值和實驗測得的光學帶隙（１．６８ｅＶ）是??很接近的［１

?山東大學碩士學位論文???１（ｃ）所示，Ａ－ＮＴ是一個直接帶隙半導體，帶隙為１．４４ｅＶ，導帶底（ＣＢＭ）和價帶??頂（ＶＢＭ）都位于Ｋ點（０．?０，?１／３）。在圖３－ｌ（ｃ）中，我們也畫了?Ａ－ＮＴ的投影態(tài)密??度。結果表明，和它的單層相似，Ａ－ＮＴ的ＣＢＭ和ＶＢＭ都主要是由Ｍｏ原子的??４ｄ軌道貢獻的。??３．３．２光吸收性能???Ａｂｓｏｒｐｔｉｏｎ?Ｃｏｆｆｉｃｉｅｎｔ?｜?，：?｜?Ｓｏｌａｒ?Ｓｐｅｃｔｒｕｍ??ｉ：｜?丨１??ｒ?ｒ＼?％?ｊ??ｉ２－?；ｉ?＼ｉ｜ｉ?１??Ｑ?ｆ?■．．．．．．?？?ｔ??４?ｉ??—．．．?０?Ｑ??０?２００?４００?６００?８００?１０００??Ｗａｖｅｌｅｎｇｔｈ?（ｎｍ）??圖３－２：藍色實線代表Ａ－ＮＴ的光吸收能譜。橙色區(qū)域表示ＡＭ１．５標準太陽光??譜。黑色虛線包含的是可見光區(qū)域（３８０?ｎｍ到７８０?ｎｍ）。??高效的光催化劑應該擁有非常強的光捕獲能力。我們計算了?Ａ－ＮＴ的光吸收??性能來評估Ａ－ＮＴ的光吸收性能。公式如下，??－?１／２?１／２??郵）＝竽⑷一巧）］—－＾）?（３．１）??ｈｅ?２??這里ｓＫｃｄ）和ｓ２（ｃｏ）分別代表介電函數(shù)的實部和虛部。如圖３－２所示，Ａ－ＮＴ在??３８０到６００?ｎｍ的可見光波段有非常強的光捕獲能力。這樣優(yōu)秀的光吸收特性表??明Ａ－ＮＴ是一種非常有潛力的光催化劑。??２０??

圖３－３：?（ａ）Ａ－ＮＴ的帶邊排列
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本文編號：2859957