MoS2體系的Cu原子吸附效應研究

孫金芳

（安徽信息工程學院，安徽蕪湖241000）

1 引言

MoS2作為一種典型的層狀過渡金屬硫族化合物，因其單層存在直接帶隙，其能帶結構優于零帶隙的石墨烯，是一種性能優良的半導體材料，在電磁學和電子器件等技術領域都有很大的應用價值[1]。體MoS2所在的空間群為P6_3/mmc，其結構為間接帶隙半導體，帶寬為1.29eV，層與層間通過范德瓦爾斯力相結合的。類似于石墨烯，單層和少數層MoS2可通過機械剝離技術剝離出來，且單層MoS2層內的Mo原子和S原子之間形成強共價鍵，因此單層結構非常穩定，這種容易制備又穩定的材料引起了研究者們的廣泛關注。

2 計算模型

在計算過程中，本文采用的軟件是基于密度泛函（DFT）理論的第一性原理計算程序包CASTEP。采用廣義梯度近似中的PBE關聯泛函來對計算中交換關聯勢進行描述。布里淵區我們采用3×3×1k網格[2]。選用平面波函數截斷能為380eV，在結構弛豫過程中，具體參數設置為，能量收斂標準為10-4eV，原子間作用力收斂判據為0.01eV/?。

因層狀MoS2具有六角對稱性，我們依次在六個高對稱位置（TMo，TS，Htop，BS，BMo，Hin）放置 Cu 原子，然后進行弛豫操作。計算過程中分別在單層和雙層表面設置了三個吸附位置。其中，TMo表示放置在Mo原子正上方，TS表示放置在S原子的正上方，Htop表示放置在六元環中心位置[3]。同樣的對于雙層MoS2三個層間吸附的位置分別為：在第一層MoS2中的S原子的正下面記為BS，在第一層Mo原子的正下面記為BMo，在上下兩層由S-Mo-S構成的六元環的中心記為Hin。由雙層MoS2的結構對稱性可知BS和BMo的位置是等效的，所以在計算時只考慮了BS和Hin兩個位置。構建4*4的MoS2超胞，Cu原子吸附在MoS2不同位置的構型如圖1(c，d，e)所示。4*4的超胞能夠保證兩個相鄰Cu原子在間距超過10?，這樣可以忽略它們之間的相互作用力。同時為了減小層間原子的相互影響，在z方向上建立10?的真空層。在計算中，二維超胞的晶格參數我們參照單胞的實驗參數a=3.16?，獲得在xy平面，b=c=12.64?。為了獲得更優的吸附構型，我們計算了各個系統的吸附能，吸附能定義為：

E(Cu+MoS2sheet)是吸附體系總能,EMoS2sheet是孤立MoS2片的總能，ECu是相對應孤立時金屬Cu原子的總能。當吸附過程放熱時吸附能為負，發生了化學反應，吸附能越小表明過渡金屬Cu原子吸附越穩定。

3 結果分析

通過分析兩個吸附系統中三個位置的吸附能，發現從不同層的MoS2表面吸附性能來看，TMo位置最穩定，對于雙層MoS2的層間吸附來看，BMo位置最穩定。通過分析雙層MoS2的兩種吸附情況發現，層間的BMo位置吸附能最低，最為穩定。這說明對于雙層MoS2，層間吸附更為穩定。通過castep計算結果可知，三個不同結構的MoS2穩定結構中Cu原子和緊鄰S原子成鍵的鍵長以及吸附高度數值。單層和雙層MoS2的表面吸附時，Cu-S鍵長為2.14?，吸附高度為0.90?，說明層數對吸附穩定性的影響較小。對于雙層MoS2的層間吸附情況，Cu原子和上層三個S原子所形成鍵長皆為2.21?，與下層一個S原子所成鍵的鍵長為2.22?，這說明所有S原子與Cu原子間的吸附能力相當。

單層和雙層的本征MoS2的態密度（DOS）如圖1和圖2所示，結果表明單層和雙層MoS2的帶隙分別為1.75eV和1.62eV。

圖1 單層MoS2的態密度圖

圖2 雙層MoS2的態密度圖

圖3 單層MoS2表面吸附Cu原子系統的態密度圖

圖4 雙層MoS2表面吸附Cu原子 系統的態密度圖

圖5 雙層MoS2層間吸附Cu原子系統的態密度圖

圖3和圖4是單層和雙層MoS2表面吸附Cu原子的態密度圖，圖5是雙層MoS2層間吸附Cu原子的態密度圖。從圖中可知，對于三個不同吸附位置的體系，吸附Cu原子后都在原始帶隙中引入了雜質態，而且費米面附近的雜質態是由自旋向下的電子態構成。然而，對于表面吸附體系，從圖3和圖4態密度圖可知雜質態和費米能級之間最小帶寬約為0.2eV。所以，表面吸附體系仍具有半導體特性。對于層間吸附體系，如圖5所示，有部分自旋向下的電子構成的雜質態剛好出現在費米能級附近，從而使得該體系在費米能級附近全部發生自旋極化。這說明在費米能級附近有一個自旋的電子通道，即雙層MoS2層間吸附體系表現出半金屬特性。

本文采用castep模塊計算了單層和雙層MoS2表面吸附和層間吸附金屬原子Cu后的穩定性和電磁學性能。通過計算結果分析得到了一些重要結論。首先，找到了Cu原子吸附在單層和雙層MoS2表面和層間的具體穩定位置，Cu原子和周邊原子間形成了共價鍵；Cu原子吸附后其局域磁矩減小。其次，通過三個不同穩定位置的吸附性能研究，發現Cu原子在表面吸附后，整體仍表現出半導體特性，僅僅在本征體系中引入了雜質態能系。最后，對于Cu原子吸附在雙層MoS2層間，整個系統在費米面附近顯示出了完全自旋極化特征，即整體表現出了半金屬特性。這些現象為MoS2在自旋電子學方面的應用提供了理論支持。