钼、钨、钽硫化物及卤素掺杂系/石墨烯异质结设计与第一性原理计算
摘要
自石墨烯问世以来，打开其带隙一直是半导体领域的研究热点。过渡金属硫化物
和石墨烯具有类似的结构，且带隙可调控。本文拟将石墨烯与层状过渡金属硫化物进
行复合，形成异质结结构，以期兼具二维过渡金属硫化物的能带结构以及石墨烯优异
的电子输运特性，设计出带隙、载流子浓度可调控的二维半导体材料。近年来，由于
实验周期长，合成困难等缺点，材料设计被广泛应用于设计新型材料及相关性质计算。
本文利用基于密度泛函理论的第一性原理计算系统探索了卤族元素(F、Cl、Br和I)掺杂
的过渡金属硫化物及过渡金属硫化物/石墨烯异质结的影响，包括能量变化及电子性质；
石墨烯/过渡金属硫化物异质结的结构稳定性及电子性质；卤族元素掺杂石墨烯/过渡金
属硫化物异质结的结构稳定性及电子性质。
本文构建了单层MoS、WS和TaS模型，并进行收敛性测试和几何优化，然后通
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过替换原子的方式在优化好的单层MoS、WS和TaS模型的表面掺杂卤族元素。对掺
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杂体系的热力学形成能、电子结构等进行了计算，结果表明，掺杂F、Cl、Br、I四种
原子的异质结的缺陷形成能逐渐增加；在单层过渡金属硫化物表面掺杂卤族元素，能
带提高其导电能力。
将单层的过渡金属硫化物与石墨烯通过不同的匹配方式构造9种范德华异质结模
型，计算了界面形成能随异质结层间距的变化规律，所有模型的界面形成能随着层间
距的增加均表现出先减小后增加的趋势，在层间距为3.4~3.6?附近具有能量最小值、
结构最稳定。对相对稳定的三种异质结模型计算了电子结构，发现石墨烯/MoS2和石墨
烯/WS2分别存在1meV和2meV带隙，说明石墨烯的带隙可以通过与过渡金属硫化物
结合构成异质结被调控的。
最后，将F、Cl、Br、I四种卤族元素掺杂到相对最稳定的三种结构相对稳定的异
质结中的过渡金属硫化物层的S原子位置，结果表明，MoS2和WS2在异质结上掺杂F、
Cl、Br、I原子的形成能是逐渐降低的，掺杂I原子所需的做的功最低。而TaS2异质结
相反，掺杂F、Cl、Br、I原子的形成能逐渐增加，其中F原子掺杂最容易实现，I原子
掺杂较难实现。此外，掺杂体系引入了掺杂能级，对于三种异质结体系产生了明显的
影响，从而呈现出无带隙的特性，相较于与未掺杂的异质结，载流子浓度增加。
关键词：过渡金属硫化物；异质结；卤族元素掺杂；第一性原理计算
钼、钨、钽硫化物及卤素掺杂系/石墨烯异质结设计与第一性原理计算
Abstract
Sincetheadventofgraphene,openingitsbandgaphasbeenaresearchhotspotinthe
semiconductorfield.Transitionmetalsulfidesandgraphenehavesimilarstructuresand
adjustablebandgaps.Thisarticleintendstocompositegraphenewithlayeredtransitionmetal
sulfidestoformaheterojunctionstructure,tocombinetheenergybandstructureoftwo-
dimensionaltransitionmetalsulfidesandtheexcellentelectrontransportcharacteristicsof
graphene.Atwo-dimensionalsemiconductormaterialwithadjustable