过渡金属二硫族类石墨烯二维材料电子结构与光学性质的理论研究

Graphene-like two-dimensional (2D) transition metal dichalcogenides (TMDCs) layered materials, with atomic thickness, own unique structures and charming properties and show their attractive application prospects in novel materials and renewable energy fields. By employing first-principles methods, many-body Green's function and Bethe-Salpeter equation, this project aims to systematically investigate the structures, electronic and optical properties of single layer and few layer TMDCs. The main focuses of this project include: 1) study the bonding characteristic of in-plane bonding and out-of-plane bonding of layered TMDCs and summarize the similiarity and difference with graphene and their underlying physics and chemistry; 2) explore the electronic and optical properties of 2D TMDCs and the influence and engineering of defects, doping, and surface decoration on the structures, electronic, magnetic and optical properties of 2D TMDCs; 3) study the exciton effect and their influences on optical absorption spectrum of 2D TMDCs; 4) investigate the effect of substrate surface on the electronic, magnetic and optical properties of 2D-TMDCs. These studies will finally provide the underlying theoretical understanding and guide for the real applications of new 2D TMDCs materials.

原子厚度的二维过渡金属二硫族类石墨烯层状材料，因其独特结构与优良物理化学性质，在新能源、新材料等领域展现了诱人的应用前景。本项目拟采用密度泛函理论，结合多体格林函数加屏蔽库仑相互作用的GW方法和包含双粒子格林函数的Bethe-Salpeter方程，对过渡金属二硫族单层或有限层的结构、电子性质以及光学性质进行系统研究。了解这类材料层间与层内不同的键合特征，总结它们稳定性的物理化学规律；分析其与石墨烯在结构与性质上的异同点及对应的物理根源；研究这类材料的电子性质与光学行为，探索缺陷、表面修饰（小分子、原子或团簇）吸附对这类材料结构、电磁性质以及光学性质的影响与调控作用；研究这类材料中的激子效应及其对光学吸收谱的影响；并进一步探索支撑固体表面对这类材料的电磁性质与光吸收行为的影响，为过渡金属二硫族基新材料的实际应用提供理论参考。

以石墨烯、二硫化钼（MoS2）为代表的原子厚度二维材料在未来光电子器件及新能源中有着重要的应用前景。本项目围绕过渡族硫化物TMDCs等二维材料及异质结构，系统研究了缺陷、掺杂以及表面修饰对其电子结构与光电性质的影响与调控作用，探索了其在新能源与光电器件上的可能应用，取得了若干重要创新性成果：.i) 建立了缺陷局域态主导的电子跃迁输运机制，阐明了MoS2低迁移率的物理根源，提出了常温硫醇化学修复缺陷实现硫化钼本征电导和氧化成键实现MoS2光电性能大幅提升的策略，建立了硫醇分子与MoS2表面修饰与功能化的竞争性反应机制。.ii) 提出了通过引入不同结构缺陷激活惰性表面和利用表面自组装提升MoS2表面析氢活性以及制备双功能电催化剂的新策略，预测了具有超高析氢活性密度和超低反应能垒的支撑MoS2纳米线，发展了一个简单的析氢反应活性描述符，预测了几种基于二维MXenes的析氢反应催化剂，设计了首个单原子、双功能催化剂用于水的全分解。.iii) 揭示了二维异质结范德华外延生长机制，设计了具有优良自旋过滤功能的钴单原子层/硫化钼异质结、符合光催化分解水要求的C6H5CH2NH2/硫化钼/石墨烯异质结和高效的光伏和光催化双功能砷烯/硫化钼异质结。.iv）建立了黑磷光诱导和水催化降解机制、硒化铟缺陷诱导降解机制、钨类硫族化合物边界和缺陷诱导的降解机制，提出了几种切实可行的二维材料保护方案，大部分已获实验证实。.发表标注基金号SCI论文57篇(其中通讯作者56篇)，包括Nat. Commun. 3篇、Angew. Chem. Int. Ed. 3 篇、Adv. Mater. 2篇、Nano Lett. 2篇、ACS Nano 2篇、J. Phys. Chem. Lett. 8篇，受邀撰写特邀综述2篇，其中3篇ESI高被引论文。