过渡金属二硫属化物范德华异质结的组装、能带调控和光学性质研究

For two-dimensional sulfide atomic crystal active layer materials of a new generation of electronic device, fabricating heterostructure is the necessary foundation to realize various functional devices. However, there is a lack of in-depth understanding of these heterostructures at present. Taking the van der Waals heterostructures that are assembled with two-dimensional monolayer transition metal dichalcogenides (TMDCs) as the research object, we will systematically study the coupling effect between TMDC heterostructure layers and figure out that how to induce novel quantum properties by the coupling effect using first principles method within the framework of density functional theory. In the project we will identify the relationships between TMDC heterostructure energy, electronic structure, carrier effective mass and different stackings or the layer distance and analyze their two dimensional characteristics. Furthermore, we will reveal the law of band gap modulation by different stacking types and external electric field and try to explore the experiment feasible control method of energy band structures. Based on the study of electronic structures, the optical properties of the heterostructures will be further investigated, such as dielectric function, absorption coefficient, electrical conductivity and electron energy loss spectroscopy. By the studies, we will find their changes with the assembly mode simulate the basic electronic and optoelectronic device function. Through this project implementation we will provide a meaningful guidance for fabricating two-dimensional TMDC heterostructure devices.

对于新一代电子器件有源层材料的硫化物二维原子晶体，通过彼此耦合形成的异质结是实现各类功能器件的必要基础，然而目前对这类异质结还缺乏深入的理解。本项目以过渡金属二硫族化合物(TMDCs)范德华异质结为研究对象，拟利用密度泛函理论的第一性原理方法，围绕异质结层间耦合如何诱导新奇量子性质进行系统的理论研究。主要研究内容包括：研究二维原子片层堆垛方式和层间距对异质结电子结构、载流子有效质量、迁移率等的影响，分析它们的二维特性；研究组装方式和外加电场对异质结能带结构的影响，提出实验上较为可行的能带结构调控方法；在以上电子结构研究基础上，探索异质结光学性质，如吸收系数、介电函数、电导率和电子能量损失能谱等，随组装方式的变化规律，模拟基本电子和光电子器件的功能。本项目的实施将加深对异质结层间耦合产生新现象的理解，从而为新型高性能二维TMDCs异质结器件的实现提供理论指导。

本项目的研究工作围绕过渡金属二硫属化物范德华异质结的组装、能带调控和光学性质开展，通过密度泛函理论方法，以MoS2二维半导体材料等构筑的TMDCs范德华异质结为研究对象，着重于关注它们的结构和性能关系。首次，构建ScS2、ScSe2、ScTe2与MoS2范德华异质结，计算结果显示ScS2、MoS2等单层组元均为半导体性，但两体系有效耦合后诱导出新奇性质-均显示出金属性。特别地，ScS2/MoS2异质结表现出了相异于ScSe2/MoS2与ScTe2/MoS2的特性，其能带结构受单层组元堆积方式影响较大。同时发现，当ScX2（X=S、Se、Te）由块体、双层晶体转变为单层时，体系会从顺磁性转变为铁磁性。其次，进一步考察了不同气体分子在有无缺陷的MoS2上的吸附性能；通过第一性原理计算，得出气体分子能够有效诱导其电子结构性能变化。我们也研究了MoS2与二维钙钛矿材料复合的理论和实验研究，揭示了其异质结界面载流子的有效分离，指导实验成功制备复合体系光电探测器。此外，我们也进一步探索了新型二维半导体材料。围绕该项目的研究内容取得了一系列研究成果，。通过该研究，我们能从本质上进一步理解范德华异质结层间耦合所产生的新现象，从而为新型二维器件制备提供强有力的理论支持。. 项目执行期间在Chem. Soc. Rev.、Nat. Commun.、Angew. Chem. Int. Ed、Nano Lett.、Nano Energy等国际著名期刊上发表24篇SCI论文，其中影响因子≥10的6篇，5篇入选Thomson ESI-1%高被引用论文，其中第一作者单篇最高引用近400次（Angew. Chem. Int. Ed. 54, 3112, 2015. ESI-0.1%热点论文）。其中以第一作者身份发表的研究成果-二维半导体砷烯和锑烯被Nature在Research Highlights栏目进行专题评论(Nature 2015, 517, 246)，指出“砷烯与锑烯可能是有更广应用的二维半导体(more applications than other 2D materials)，可被用于蓝光LED等短波光电子器件”。同时也被Nanowerk、Chemistry Views、Materials View等十余家学术媒体亮点报道。