层状热电材料的层间耦合、缺陷态及热输运的第一性原理研究

论文摘要

自从2004年Novoselov和Geim等人成功的用机械剥离的方法制备出石墨烯后,人们开始越来越多的关注层状材料,包括氮化硼、过渡金属硫化物、黑磷、SnSe以及其它复杂层状化合物。它们当中有的以弱范德瓦尔斯力结合,有的还存在其它类型的化学成键。这些特殊的层间相互作用,对于材料的制备和物理性质具有重要影响。本文基于第一性原理计算对几种不同层状材料的层间耦合、缺陷及热输运性质进行了探索,研究内容和结果如下:首先,我们研究了层状材料铋氧硫族化合物Bi2O2X、BiCuOX以及Bi2OX2（X=S,Se,Te）。它们具有较低的晶格热导率,在室温下其值均小于2 W/mK。通常来说,随着X原子质量的增加,相应的晶格热导率应该减小。但是Bi2O2S的晶格热导率反而低于Bi2O2Se,与Bi2O2Te相当。我们从声子色散关系、Grüneisen参数、弛豫时间和局域电荷密度等角度对其进行了分析,建立了低晶格热导率与层间化学成键之间的联系,将它们具有较低晶格热导率的原因归结为强的层间非谐耦合效应。其次,已经有文献报道过二维单层或少层SnSe的优异热电性能。然而,为了制备它的单层或者少层结构,就需要研究它的层间相互作用的强弱。我们运用第一性原理计算的方法分别研究了它的层间结合能、层间电荷转移、以及垂直于层面振动的呼吸模,并且与石墨、MoS2和黑磷进行了比较。研究结果表明SnSe的层间耦合最强,黑磷次之,远大于石墨和MoS2。它的层间不仅是由弱的范德瓦尔斯力结合,而且还存在由于电荷转移导致的库仑力。我们推测出很难用机械剥离的方法制备单层或者少层的SnSe结构。最后,由于1T’相过渡金属硫化物WTe2最近在实验上备受关注,我们用第一性原理计算的方法研究了它的表面单原子缺陷。主要包括空位、换位和间隙缺陷。计算结果表明这些缺陷结构均没有磁性。间隙缺陷的形成能最低而换位缺陷形成能最高,因此,间隙缺陷更容易形成。我们模拟了完美表面和各种不同缺陷结构的扫描隧道显微镜（STM）图像,为实验上用STM观测它们的形貌提供了充足的理论依据。进而,对于每一种缺陷,我们从电子的空间电荷和态密度的分布,发现了几种处在费米面附近的缺陷态。这些缺陷态对材料的输运性质会有一定的影响。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 1 绪论
•   1.1 二维层状材料的研究背景
•   1.2 强层间耦合材料的热电性质
•   1.3 本文的工作
• 2 密度泛函理论简介
•   2.1 概述
•   2.2 密度泛函理论
• 2O₂X（X=S,Se,Te）晶格热导率研究'>3 铋氧硫族化合物Bi₂O₂X（X=S,Se,Te）晶格热导率研究
•   3.1 概述
•   3.2 计算方法和参数选择
• 2O₂X（X=S,Se,Te）热输运性质分析'>  3.3 Bi₂O₂X（X=S,Se,Te）热输运性质分析
•   3.4 本章小结
• 2OX₂（X=S,Se,Te）晶格热导率研究'>4 BiCuOX和 Bi₂OX₂（X=S,Se,Te）晶格热导率研究
•   4.1 概述
•   4.2 晶体结构
•   4.3 计算方法和参数选择
•   4.4 BiCuOX（X=S,Se,Te）热输运性质分析
• 2OX₂（X=S,Se）热输运性质分析'>  4.5 Bi₂OX₂（X=S,Se）热输运性质分析
•   4.6 本章小结
• 5 SnSe层间耦合的第一性原理研究
•   5.1 概述
•   5.2 计算参数与模型
•   5.3 计算结果分析
•   5.4 本章小结
• 2表面的单原子缺陷研究'>6 WTe₂表面的单原子缺陷研究
•   6.1 概述
•   6.2 计算参数与模型
•   6.3 计算结果分析
•   6.4 本章小结
• 7 全文总结与工作展望
•   7.1 本文工作总结
•   7.2 下一步工作展望
• 致谢
• 参考文献
• 附录1 攻读博士学位期间发表的主要论文

文章来源

类型: 博士论文

作者: 宋红月

导师: 吕京涛

关键词: 层状材料,密度泛函理论,非谐效应,晶格热导率,层间耦合,缺陷

来源: 华中科技大学

年度: 2019

分类: 基础科学

专业: 物理学

单位: 华中科技大学

分类号: O469

DOI: 10.27157/d.cnki.ghzku.2019.004807

总页数: 105

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