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CN116682503B - 一种前驱体团簇沉积调控单层过渡金属二硫化物的电子和光电性能的预测方法 - Google Patents

一种前驱体团簇沉积调控单层过渡金属二硫化物的电子和光电性能的预测方法 Download PDF

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CN116682503B CN202310521142.1A CN202310521142A CN116682503B CN 116682503 B CN116682503 B CN 116682503B CN 202310521142 A CN202310521142 A CN 202310521142A CN 116682503 B CN116682503 B CN 116682503B
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Abstract

本发明属于二维光电材料技术领域，具体涉及一种前驱体团簇沉积调控单层过渡金属二硫化物的电子和光电性能的预测方法。本发明进行过渡金属原子团簇和硫属元素原子团簇的模型构建、结构稳定性的评价、表面过渡金属原子和硫属元素原子的扩散动力学行为模拟，以及进行过渡金属原子和硫属元素原子的化合团簇的结构的搜索，获得化合团簇在单层过渡金属二硫化物表面的二维化学势相图；还进行单层过渡金属二硫化物表面的过渡金属原子和硫属元素原子态密度分析；本发明采用理论模拟的方法研究了前驱体团簇沉积在单层过渡金属二硫化物表面上的结构和电子性质，为团簇沉积调控单层过渡金属二硫化物电子和光电性能提供理论指导。

Description

一种前驱体团簇沉积调控单层过渡金属二硫化物的电子和光 电性能的预测方法
技术领域
本发明属于二维光电材料技术领域，具体涉及一种前驱体团簇沉积调控单层过渡金属二硫化物的电子和光电性能的预测方法。
背景技术
自石墨烯发现以来，二维材料已经被广泛的研究。过渡金属二硫化物(TMDC)家族，弥补了石墨烯零带隙的缺点，在场效应晶体管等纳米电子领域具有很大的应用前景。过渡金属二硫化物的基本化学式可写作MX2，其中M代表过渡金属元素，包含Ti、V、Ta、Mo、W、Re等，X表示硫属元素原子S、Se、Te等；在TMDC家族中，单层WSe2由于具有应变和电场可调的带隙，高的载流子迁移率和大的激子结合能等极好的物理性质已经吸引了人们大量的关注。
大规模合成单层WSe2是其实际器件应用的前提。然而，大规模合成单层的WSe2仍然是具有挑战的。实验表明，Se/W前驱体的比例对生长均匀的单层的WSe2起着决定性的作用。
理论上，在合成过渡金属二硫化物(MX2)过程中的前驱体团簇(包括过渡金属原子团簇、硫属元素原子团簇以及过渡金属和硫属元素化合团簇)如何影响过渡金属二硫化物的电子和光电性质的研究还比较少。
发明内容
本发明的目的在于提供一种前驱体团簇沉积调控单层过渡金属二硫化物的电子和光电性能的预测方法，本发明提供的预测方法从理论上准确预测了不同前驱体团簇对过渡金属二硫化物的电子和光电性质的影响，对单层过渡金属二硫化物的制备具有指导意义。
为了实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
本发明提供了一种前驱体团簇沉积调控单层过渡金属二硫化物的电子和光电性能的预测方法，包括以下步骤：
(1)构建不同构型的过渡金属原子团簇，将不同构型的过渡金属原子团簇吸附在单层过渡金属二硫化物模型表面，构建得到过渡金属原子团簇表面沉积的单层过渡金属二硫化物模型，将所述过渡金属原子团簇表面沉积的单层过渡金属二硫化物模型进行结构优化，分析结构优化后的过渡金属原子团簇表面沉积的单层过渡金属二硫化物模型的能量稳定性，得到稳定的过渡金属原子团簇吸附单层过渡金属二硫化物模型；
构建不同构型的硫属元素原子团簇，将不同构型的硫属元素原子团簇吸附在单层过渡金属二硫化物模型表面，构建得到硫属元素原子团簇表面沉积的单层过渡金属二硫化物模型，将所述硫属元素原子团簇表面沉积的单层过渡金属二硫化物模型进行结构优化，分析结构优化后的硫属元素原子团簇表面沉积的单层过渡金属二硫化物模型的能量稳定性，筛选得到稳定的硫属元素原子团簇吸附单层过渡金属二硫化物模型；
(2)将所述单层过渡金属二硫化物模型表面扩胞，在表面扩胞后的单层过渡金属二硫化物模型表面的不等效位点吸附过渡金属原子，分析不同不等效位点处的过渡金属原子吸附单层过渡金属二硫化物的能量稳定性，得到过渡金属原子吸附的稳定性不等效吸附位点；在相邻两个稳定性不等效吸附位点上各吸附1个过渡金属原子，结构优化后作为过渡态搜索的初态，过渡态搜索的末态为步骤(1)得到的过渡金属原子数为2的稳定的过渡金属原子团簇吸附单层过渡金属二硫化物模型，利用CI-NEB的方法，生成过渡金属原子扩散路径，计算过渡金属原子扩散的势垒；
将所述单层过渡金属二硫化物模型表面扩胞，在表面扩胞后的单层过渡金属二硫化物模型表面的不等效位点吸附硫属元素原子，分析不同不等效位点处的硫属元素原子吸附单层过渡金属二硫化物的能量稳定性，得到硫属元素原子吸附的稳定性不等效吸附位点；在相邻两个稳定性不等效吸附位点上各吸附1个硫属元素原子，结构优化后作为过渡态搜索的初态，过渡态搜索的末态为步骤(1)得到过渡金属原子数为2的稳定的过渡金属原子团簇吸附单层过渡金属二硫化物模型，利用CI-NEB的方法，生成硫属元素原子扩散路径，计算硫属元素原子扩散的势垒；
(3)采用遗传算法搜索包含过渡金属原子和硫属元素原子的化合团簇，将所述搜索到的、化合团簇吸附在单层过渡金属二硫化物模型表面上，构建得到化合团簇表面沉积的单层过渡金属二硫化物模型，将所述化合团簇表面沉积的单层过渡金属二硫化物模型进行结构优化，分析结构优化后的化合团簇表面沉积的单层过渡金属二硫化物模型的能量稳定性，得到稳定的化合团簇吸附单层过渡金属二硫化物模型；改变所述过渡金属原子和硫属元素原子的摩尔配比，得到不同摩尔配比条件下的稳定的化合团簇吸附单层过渡金属二硫化物模型，建立不同摩尔配比条件下的稳定的化合团簇吸附单层过渡金属二硫化物模型的二维化学势相图，表征不同摩尔配比条件下的稳定的化合团簇吸附单层过渡金属二硫化物模型稳定存在的化学势区间；
(4)计算稳定的过渡金属原子团簇吸附单层过渡金属二硫化物模型中过渡金属原子团簇的投影态密度和单层过渡金属二硫化物的投影态密度；分析比较费米能级附近的态密度的变化，分析过渡金属原子团簇沉积对单层过渡金属二硫化物表面的电子性质的影响；
计算稳定的硫属元素原子团簇吸附单层过渡金属二硫化物模型中硫属元素原子团簇的投影态密度和单层过渡金属二硫化物的投影态密度；分析比较费米能级附近的态密度的变化，分析硫属元素原子团簇沉积对单层过渡金属二硫化物表面的电子性质的影响；
分别计算不同摩尔配比条件下的稳定的化合团簇吸附单层过渡金属二硫化物模型中不同摩尔配比的化合团簇的投影态密度和单层过渡金属二硫化物的投影态密度；分别比较费米能级附近的态密度的变化，分析不同摩尔配比的化合团簇沉积对单层过渡金属二硫化物表面的电子性质的影响。
优选的，所述过渡金属原子团簇为钨团簇，所述钨团簇为Wn，n＝1-8；所述硫属元素原子团簇为硒团簇，所述硒团簇为Sem，m＝1-8；所述化合团簇为硒钨化合团簇，所述硒钨化合团簇为WxSe8-x，x＝1-7。
优选的，所述步骤(1)中，所述不同构型的过渡金属原子团簇包括链状结构的过渡金属原子团簇、环状结构的过渡金属原子团簇和三维立体结构的过渡金属原子团簇；
所述不同构型的硫属元素原子团簇包括链状结构的硫属元素原子团簇、环状结构的硫属元素原子团簇和三维立体结构的硫属元素原子团簇。
优选的，所述步骤(2)中，所述不等效吸附位点包括空位、顶端和桥位中的任意一种。
优选的，所述步骤(1)中，所述单层过渡金属二硫化物的晶格长度大于
优选的，所述步骤(1)中，所述吸附时，所述过渡金属原子团簇或硫属元素原子团簇与所述单层过渡金属二硫化物的距离为
所述步骤(3)中，所述吸附时，所述化合团簇与所述单层过渡金属二硫化物的距离为
优选的，所述步骤(3)中，所述化合团簇吸附的朝向包括水平朝向和竖直朝向。
优选的，所述步骤(1)中的结构优化、能量稳定性分析，所述步骤(2)中的能量稳定性分析、结构优化和扩散的势垒的计算，所述步骤(3)中二维化学势相图的建立，所述步骤(4)中的投影态密度的计算均采用VASP6.3.0软件包；截断能设置均为500eV，能量收敛标准为模型结构能量变化的范围均小于10-5eV，原子受力变化均小于
优选的，所述步骤(1)中的结构优化、能量稳定性分析，所述步骤(2)中的能量稳定性分析、结构优化和扩散的势垒的计算，所述步骤(3)中二维化学势相图的建立，所述步骤(4)中的投影态密度的计算均加入范德华修正，所述范德华修正包括DFT-D3 BJ阻尼，IVDW＝12。
本发明提供了一种前驱体团簇沉积调控单层过渡金属二硫化物的电子和光电性能的预测方法。本发明进行过渡金属原子团簇和硫属元素原子团簇的模型构建、结构稳定性的评价、表面过渡金属原子和硫属元素原子的扩散动力学行为模拟，以及进行过渡金属原子和硫属元素原子的化合团簇的结构的搜索，获得化合团簇在单层过渡金属二硫化物表面的二维化学势相图；还进行单层过渡金属二硫化物表面的过渡金属原子和硫属元素原子态密度分析；本发明采用理论模拟的方法研究了前驱体团簇沉积在单层过渡金属二硫化物表面上的结构和电子性质，为团簇沉积调控单层过渡金属二硫化物电子和光电性能提供理论指导。
本发明根据投影态密度分析材料是金属的特性还是半导体特性，即当态密度穿过费米能级时，就代表材料是金属性的。如果费米能级处没有态密度表明材料是半导体特性。本发明进一步的通过检查材料的价带顶与导带底之间的能量差可以获得材料的带隙。通过计算不同原子的投影态密度，本发明可以分析造成材料不同性质的原因，即可以找到哪种原子贡献了费米能级处的态密度，或者带隙变化的原因。本发明进一步的分析价带顶和导带底的来源，以判断材料的价带顶和导带底是否是空间分离的，即价带顶和导带底是否分别在两个不同的材料上。如果材料的价带顶和导带底是空间分离的，这就形成了II型能带排列，这将有利于光生载流子的分离，从而延长载流子的寿命。光电性质指的就是本发明提供的上述技术方案中步骤(4)分析投影态密度中价带顶和导带底来源得出的结果。
进一步，在本发明中，所述过渡金属原子团簇为钨团簇，所述钨团簇为Wn，n＝1-8；所述硫属元素原子团簇为硒团簇，所述硒团簇为Sem，m＝1-8；所述化合团簇为硒钨化合团簇，所述硒钨化合团簇为WxSe8-x，x＝1-7。本发明提供的预测方法获得：纯Sem(m＝1-8)团簇，纯Wn(n＝1-8)团簇和WxSe8-x(x＝1-7)化合团簇沉积能显著的调控WSe2光电性质。Sem(m＝3，4，5，6，8)团簇和W1Se7团簇沉积表面能够形成二型能带排列，促进电子空穴的分离。而纯Sem(m＝2,7)团簇，纯Wn(n＝1,2,4,6,7)团簇和WxSe8-x(x＝2,3,4,5,6)团簇沉积则可实现一型能带排列。Se原子的表面扩散势垒高于W原子的扩散势垒，表示W原子更容易在表面扩散。此外，Se2/W2二聚体能量显著低于分散的两个Se/W原子，表明Se/W原子倾向在WSe2表面形成团簇结构。因此，团簇沉积调控WSe2电子和光电性能方案是可行的。
附图说明
图1为纯的Sem(m＝1-8)团簇吸附在单层WSe2表面的基态结构示意图；
图2为纯的Wn(n＝1-8)团簇吸附在单层WSe2表面的基态结构示意图；
图3为WxSe8-x(x＝1-7)团簇吸附在单层WSe2表面的基态结构示意图；
图4为纯的Sem(m＝1-8)团簇吸附在单层WSe2表面的能带排列示意图；
图5为纯的Wn(n＝1-8)团簇吸附在单层WSe2表面的能带排列示意图；
图6为WxSe8-x(x＝1-7)团簇吸附在单层WSe2表面的能带排列示意图。
具体实施方式
本发明提供了一种前驱体团簇沉积调控单层过渡金属二硫化物的电子和光电性能的预测方法，包括以下步骤：
(1)构建不同构型的过渡金属原子团簇，将不同构型的过渡金属原子团簇吸附在单层过渡金属二硫化物模型表面，构建得到过渡金属原子团簇表面沉积的单层过渡金属二硫化物模型，将所述过渡金属原子团簇表面沉积的单层过渡金属二硫化物模型进行结构优化，分析结构优化后的过渡金属原子团簇表面沉积的单层过渡金属二硫化物模型的能量稳定性，得到稳定的过渡金属原子团簇吸附单层过渡金属二硫化物模型；
构建不同构型的硫属元素原子团簇，将不同构型的硫属元素原子团簇吸附在单层过渡金属二硫化物模型表面，构建得到硫属元素原子团簇表面沉积的单层过渡金属二硫化物模型，将所述硫属元素原子团簇表面沉积的单层过渡金属二硫化物模型进行结构优化，分析结构优化后的硫属元素原子团簇表面沉积的单层过渡金属二硫化物模型的能量稳定性，筛选得到稳定的硫属元素原子团簇吸附单层过渡金属二硫化物模型；
(2)将所述单层过渡金属二硫化物模型表面扩胞，在表面扩胞后的单层过渡金属二硫化物模型表面的不等效位点吸附过渡金属原子，分析不同不等效位点处的过渡金属原子吸附单层过渡金属二硫化物的能量稳定性，得到过渡金属原子吸附的稳定性不等效吸附位点；在相邻两个稳定性不等效吸附位点上各吸附1个过渡金属原子，结构优化后作为过渡态搜索的初态，过渡态搜索的末态为步骤(1)得到的过渡金属原子数为2的稳定的过渡金属原子团簇吸附单层过渡金属二硫化物模型，利用CI-NEB的方法，生成过渡金属原子扩散路径，计算过渡金属原子扩散的势垒；
将所述单层过渡金属二硫化物模型表面扩胞，在表面扩胞后的单层过渡金属二硫化物模型表面的不等效位点吸附硫属元素原子，分析不同不等效位点处的硫属元素原子吸附单层过渡金属二硫化物的能量稳定性，得到硫属元素原子吸附的稳定性不等效吸附位点；在相邻两个稳定性不等效吸附位点上各吸附1个硫属元素原子，结构优化后作为过渡态搜索的初态，过渡态搜索的末态为步骤(1)得到过渡金属原子数为2的稳定的过渡金属原子团簇吸附单层过渡金属二硫化物模型，利用CI-NEB的方法，生成硫属元素原子扩散路径，计算硫属元素原子扩散的势垒；
(3)采用遗传算法搜索包含过渡金属原子和硫属元素原子的化合团簇，将所述搜索到的、化合团簇吸附在单层过渡金属二硫化物模型表面上，构建得到化合团簇表面沉积的单层过渡金属二硫化物模型，将所述化合团簇表面沉积的单层过渡金属二硫化物模型进行结构优化，分析结构优化后的化合团簇表面沉积的单层过渡金属二硫化物模型的能量稳定性，得到稳定的化合团簇吸附单层过渡金属二硫化物模型；改变所述过渡金属原子和硫属元素原子的摩尔配比，得到不同摩尔配比条件下的稳定的化合团簇吸附单层过渡金属二硫化物模型，建立不同摩尔配比条件下的稳定的化合团簇吸附单层过渡金属二硫化物模型的二维化学势相图，表征不同摩尔配比条件下的稳定的化合团簇吸附单层过渡金属二硫化物模型稳定存在的化学势区间；
(4)计算稳定的过渡金属原子团簇吸附单层过渡金属二硫化物模型中过渡金属原子团簇的投影态密度和单层过渡金属二硫化物的投影态密度；分析比较费米能级附近的态密度的变化，分析过渡金属原子团簇沉积对单层过渡金属二硫化物表面的电子性质的影响；
计算稳定的硫属元素原子团簇吸附单层过渡金属二硫化物模型中硫属元素原子团簇的投影态密度和单层过渡金属二硫化物的投影态密度；分析比较费米能级附近的态密度的变化，分析硫属元素原子团簇沉积对单层过渡金属二硫化物表面的电子性质的影响；
分别计算不同摩尔配比条件下的稳定的化合团簇吸附单层过渡金属二硫化物模型中不同摩尔配比的化合团簇的投影态密度和单层过渡金属二硫化物的投影态密度；分别比较费米能级附近的态密度的变化，分析不同摩尔配比的化合团簇沉积对单层过渡金属二硫化物表面的电子性质的影响。
在本发明中，若无特殊说明，所有制备原料/组分均为本领域技术人员熟知的市售产品。
本发明构建不同构型的过渡金属原子团簇，将不同构型的过渡金属原子团簇吸附在单层过渡金属二硫化物模型表面，构建得到过渡金属原子团簇表面沉积的单层过渡金属二硫化物模型，将所述过渡金属原子团簇表面沉积的单层过渡金属二硫化物模型进行结构优化，分析结构优化后的过渡金属原子团簇表面沉积的单层过渡金属二硫化物模型的能量稳定性，得到稳定的过渡金属原子团簇吸附单层过渡金属二硫化物模型；构建不同构型的硫属元素原子团簇，将不同构型的硫属元素原子团簇吸附在单层过渡金属二硫化物模型表面，构建得到硫属元素原子团簇表面沉积的单层过渡金属二硫化物模型，将所述硫属元素原子团簇表面沉积的单层过渡金属二硫化物模型进行结构优化，分析结构优化后的硫属元素原子团簇表面沉积的单层过渡金属二硫化物模型的能量稳定性，得到稳定的硫属元素原子团簇吸附单层过渡金属二硫化物模型。
在本发明中，所述过渡金属原子团簇优选为钨团簇，所述钨团簇优选为Wn，n＝1-8；所述硫属元素原子团簇优选为硒团簇，所述硒团簇优选为Sem，m＝1-8；所述化合团簇优选为硒钨化合团簇，所述硒钨化合团簇优选为WxSe8-x，x＝1-7。
在本发明中，所述不同构型的过渡金属原子团簇包括链状结构的过渡金属原子团簇、环状结构的过渡金属原子团簇和三维立体结构的过渡金属原子团簇。
在本发明中，所述不同构型的硫属元素原子团簇包括链状结构的硫属元素原子团簇、环状结构的硫属元素原子团簇和三维立体结构的硫属元素原子团簇。
在本发明中，所述单层过渡金属二硫化物的晶格长度优选大于确保团簇之间的距离足够大，避免相邻团簇的影响。
在本发明中，所述吸附时，所述过渡金属原子团簇或硫属元素原子团簇与所述单层过渡金属二硫化物的距离优选为在本发明中，所述吸附时，所述吸附的位点优选包括空位、顶端和桥位中的任意一种，得出最稳定的吸附位点。
在本发明中，所述结构优化、能量稳定性分析的计算优选均采用VASP6.3.0软件包；截断能设置为500eV，能量收敛标准为模型结构能量变化的范围小于10-5eV，原子受力变化小于
在本发明中，结构优化、能量稳定性分析的计算优选均加入范德华修正，所述范德华修正包括DFT-D3 BJ阻尼，IVDW＝12。
在本发明的具体实施例中，所述纯Sem(m＝1-8)团簇和纯Wn(n＝1-8)团簇吸附在WSe2表面模型的构建方法具体为：将真空中的基态团簇构型优化后，吸附在距离单层WSe2表面处。本发明优选考虑链状和环状，以及三维立体构型的团簇吸附构型。在本发明中，三维立体的Se团簇的结构通过替换纯W团簇得到，同理，初始的环状W团簇通过替换环状Se团簇获得。
得到稳定的过渡金属原子团簇吸附单层过渡金属二硫化物模型和稳定的硫属元素原子团簇吸附单层过渡金属二硫化物模型后，本发明将所述单层过渡金属二硫化物模型表面扩胞，在表面扩胞后的单层过渡金属二硫化物模型表面的不等效位点吸附过渡金属原子，分析不同不等效位点处的过渡金属原子吸附单层过渡金属二硫化物的能量稳定性，得到过渡金属原子吸附的稳定性不等效吸附位点；在相邻两个稳定性不等效吸附位点上各吸附1个过渡金属原子，结构优化后作为过渡态搜索的初态，过渡态搜索的末态为步骤(1)得到的过渡金属原子数为2的稳定的过渡金属原子团簇吸附单层过渡金属二硫化物模型，利用CI-NEB的方法，生成过渡金属原子扩散路径，计算过渡金属原子扩散的势垒；
将所述单层过渡金属二硫化物模型表面扩胞，在表面扩胞后的单层过渡金属二硫化物模型表面的不等效位点吸附硫属元素原子，分析不同不等效位点处的硫属元素原子吸附单层过渡金属二硫化物的能量稳定性，得到硫属元素原子吸附的稳定性不等效吸附位点；在相邻两个稳定性不等效吸附位点上各吸附1个硫属元素原子，结构优化后作为过渡态搜索的初态，过渡态搜索的末态为步骤(1)得到过渡金属原子数为2的稳定的过渡金属原子团簇吸附单层过渡金属二硫化物模型，利用CI-NEB的方法，生成硫属元素原子扩散路径，计算硫属元素原子扩散的势垒。
在本发明中，所述不等效吸附位点优选包括空位、顶端和桥位中的任意一种。
在本发明中，所述能量稳定性分析、结构优化和扩散的势垒的计算优选均采用VASP6.3.0软件包；截断能设置为500eV，能量收敛标准为模型结构能量变化的范围小于10- 5eV，原子受力变化小于
在本发明中，所述能量稳定性分析、结构优化和扩散的势垒的计算优选均加入范德华修正，所述范德华修正包括DFT-D3 BJ阻尼，IVDW＝12。
在本发明的具体实施例中，本发明优选将两个Se(或W)原子分别吸附在两个相邻的顶端(或空位)位点处，表示原子处于分散的状态，优化并计算分散情况下的能量。
本发明采用遗传算法搜索包含过渡金属原子和硫属元素原子的化合团簇，将所述搜索到的、化合团簇吸附在单层过渡金属二硫化物模型表面上，构建得到化合团簇表面沉积的单层过渡金属二硫化物模型，将所述化合团簇表面沉积的单层过渡金属二硫化物模型进行结构优化，分析结构优化后的化合团簇表面沉积的单层过渡金属二硫化物模型的能量稳定性，得到稳定的化合团簇吸附单层过渡金属二硫化物模型；改变所述过渡金属原子和硫属元素原子的摩尔配比，得到不同摩尔配比条件下的稳定的化合团簇吸附单层过渡金属二硫化物模型，建立不同摩尔配比条件下的稳定的化合团簇吸附单层过渡金属二硫化物模型的二维化学势相图，表征不同摩尔配比条件下的稳定的化合团簇吸附单层过渡金属二硫化物模型稳定存在的化学势区间。
在本发明中，所述化合团簇与所述单层过渡金属二硫化物的距离优选为
在本发明中，所述化合团簇吸附的朝向优选包括水平朝向和竖直朝向。在本发明中，由于团簇的表面原子所处的成键环境并不是各向同性的，因此本发明优选构建团簇不同朝向，吸附在WSe2表面不同位点的模型。在本发明的具体实施例中，本发明考虑团簇初始吸附的朝向优选包括水平和竖直吸附。本发明对于每个配比下团簇的吸附结构，都需要将其放置在WSe2表面进行研究。本发明优选将每个配比下的最低能量的构型，进行电子性质的研究。
在本发明中，所述二维化学势相图的建立优选采用VASP6.3.0软件包；截断能设置为500eV，能量收敛标准为模型结构能量变化的范围小于10-5eV，原子受力变化小于
在本发明中，所述二维化学势相图的建立优选加入范德华修正，所述范德华修正包括DFT-D3 BJ阻尼，IVDW＝12。
本发明计算稳定的过渡金属原子团簇吸附单层过渡金属二硫化物模型中过渡金属原子团簇的投影态密度和单层过渡金属二硫化物的投影态密度；分析比较费米能级附近的态密度的变化，分析过渡金属原子团簇沉积对单层过渡金属二硫化物表面的电子性质的影响。
本发明计算稳定的硫属元素原子团簇吸附单层过渡金属二硫化物模型中硫属元素原子团簇的投影态密度和单层过渡金属二硫化物的投影态密度；分析比较费米能级附近的态密度的变化，分析硫属元素原子团簇沉积对单层过渡金属二硫化物表面的电子性质的影响。
本发明分别计算不同摩尔配比条件下的稳定的化合团簇吸附单层过渡金属二硫化物模型中不同摩尔配比的化合团簇的投影态密度和单层过渡金属二硫化物的投影态密度；分别比较费米能级附近的态密度的变化，分析不同摩尔配比的化合团簇沉积对单层过渡金属二硫化物表面的电子性质的影响。
在本发明的具体实施例中，本发明优选对基态(稳定)纯Sem(m＝1-8)团簇和基态(稳定)纯Wn(n＝1-8)团簇以及基态(稳定)WxSe8-x(x＝1-7)团簇分别计算投影态密度，对单层过渡金属二硫化物表面结构吸附的团簇结构中的同种元素的态密度进行投影加和；同时也计算单层过渡金属二硫化物的态密度进行投影加和。
在本发明中，所述投影态密度的计算优选采用VASP6.3.0软件包；截断能设置为500eV，能量收敛标准为模型结构能量变化的范围小于10-5eV，原子受力变化小于
在本发明中，所述投影态密度的计算优选加入范德华修正，所述范德华修正包括DFT-D3 BJ阻尼和IVDW＝12。
为了进一步说明本发明，下面结合附图和实施例对本发明提供的技术方案进行详细地描述，但不能将它们理解为对本发明保护范围的限定。
实施例1
本实施例首先构建包含不同Se/W团簇吸附在单层WSe2表面的模型：由于真空中基态的纯Se团簇和纯W团簇分别倾向于采取环状和三维立体结构，因此，本实施例首先分别构建了环状和三维立体结构的纯Se团簇和纯W团簇，环状具体包括三角形，四边形，五边形，六边形，七边形和八边形，并将其进行结构优化。在本实施例中，由于表面可能会对团簇的稳定性产生影响。因此，本实施例还考虑其他可能的团簇构型。链状，即原子沿着一个方向排列，和三维立体构型，通过替换W团簇得到。然后，本实施例构建单层WSe2表面，将优化好的正交的单层WSe2单胞根据周期性边界条件，分别沿着x方向扩胞6个周期和y方向扩胞4个周期。将Sem(m＝1-8)团簇放在WSe2表面上方处，初始吸附结构搭建完成，进行结构优化，最后对比链状，环状和三维立体团簇在表面的能量，能量最低的即为最稳定的结构；
本实施例中，所述W团簇也通过同样的方法，将环状Sem(m＝3-8)团簇中的元素进行替换成W即为环状结构的W团簇，结构优化后，对比能量，能量最低的结构即为最稳定的W吸附结构；在构建之前，WSe2表面需要构建超胞，晶格常数大于防止团簇之间的赝相互作用，同样将优化好的正交的单层WSe2单胞分别沿着x方向扩胞6个周期和y方向扩胞4个周期。
其中，元素W的体相结构优化后的能量可用于W团簇形成能计算的基准参考；根据对比链状，环状和三维立体的结构，得出不同尺寸Se团簇在WSe2表面的结构，其形成能随着团簇的尺寸增加逐渐减小，大团簇比小团簇更加稳定；对链状，环状和三维立体的W团簇吸附在表面的结构进行优化，对比能量，得出不同尺寸下最稳定的团簇吸附结构，团簇越大，形成能越低；
本实施例研究了Se原子的扩散势垒，首先对一个Se原子在表面的稳定的吸附位点进行了研究，比较了单个Se原子在表面Se的顶端，Se空位和Se-W桥位的能量，结果表明Se原子在表面顶端的能量最低。因此，两个Se原子最初在间隔一个Top位置的顶端位置上，作为初态；Se2团簇作为终态；Se2团簇的能量明显低于两个分离的Se原子，在扩散路径上设置了4个点，Se原子从顶端位点扩散到相邻的顶端位点，需要克服至少1eV的能量势垒；
本实施例对W原子的扩散势垒也进行了研究，首先对一个W原子在表面的稳定的吸附位点进行了研究，分别将W原子放在表面Se顶端，Se空位和Se-W桥位处进行结构优化和能量比较，结果表明，W原子吸附在Se空位也就是表面W原子的顶端位置处能量最低。因此，两个分离的W原子吸附在W的顶端位置上，作为初态，W2团簇吸附在表面上作为末态；对比两个分离的W原子，W2团簇的能量降低了，表明W原子倾向于在表面聚集；在扩散路径插入了4个点，得到W原子的扩散势垒为Se原子的扩散势垒的一半，表明W原子更容易在表面扩散；对于所述W原子的扩散势垒的计算，数值与之前对W原子的扩散的数值相当，表明计算的有效性；
本实施例利用遗传算法对不同配比的WxSe8-x(x＝1-7)团簇进行结构搜索；对遗传算法搜索到的团簇进一步使用VASP进行优化，对比能量，得出每个配比下的真空中稳定的团簇结构；随后将遗传算法搜索到的团簇放在单层WSe2的表面上方处进行结构优化，对比每一配比下的最稳定的表面团簇吸附构型；每个配比下最稳定的团簇结构用于后续的电子性质的研究；
本实施例对纯团簇和表面衬底(态密度进行投影加和)中的Se/W/WSe元素分别投影计算：计算稳定的过渡金属原子团簇吸附单层过渡金属二硫化物模型中过渡金属原子团簇的投影态密度和单层过渡金属二硫化物的投影态密度；计算稳定的硫属元素原子团簇吸附单层过渡金属二硫化物模型中硫属元素原子团簇的投影态密度和单层过渡金属二硫化物的投影态密度；分别计算不同摩尔配比条件下的稳定的化合团簇吸附单层过渡金属二硫化物模型中不同摩尔配比的化合团簇的投影态密度和单层过渡金属二硫化物的投影态密度；然后比较费米能级附近的态密度的变化，分析团簇沉积对WSe2的电子性质的影响；所述Se/W/WSe团簇对WSe2的态密度都有影响，其中Se团簇和W1Se7团簇能够与WSe2表面形成二型能带排列的异质结，即团簇的最低未被占据分子轨道(LUMO)与最高占据分子轨道(HOMO)分别高于单层WSe2的导带底(CBM)和价带顶(VBM)，有效的促进光生电子和空穴的分离；W团簇吸附主要与WSe2形成一型能带排列的异质结，即团簇的LUMO低于单层WSe2的CBM，HOMO高于单层WSe2的VBM，从而促进光生电子和空穴复合；
本实施例想实现电子空穴分离，可以在单层WSe2制备时通入过量的Se原料；本实施例想促进电子空穴复合可以在单层WSe2制备时通入过量的W原料；
在本实施例中，由于团簇吸附在WSe2表面，因此上述计算过程中考虑了范德华修正(DFT-D3 BJ阻尼，IVDW＝12；且本实施例中所述基态团簇及吸附结构的优化，稳定性的筛选，扩散势垒的计算，电子性质(投影态密度计算)的评价采用VASP6.3.0软件包；截断能设置为500eV，能量收敛标准为模型结构能量变化的范围小于10-5eV，原子受力变化小于
图1为纯的Sem(m＝1-8)团簇吸附在单层WSe2表面的基态结构示意图，由图1可知，当m>2时，纯Sem团簇倾向物理吸附在单层WSe2表面。
图2为纯的Wn(n＝1-8)团簇吸附在单层WSe2表面的基态结构示意图，由图2可知，纯Wn团簇倾向化学吸附在单层WSe2表面。
图3为WxSe8-x(x＝1-7)团簇吸附在单层WSe2表面的基态结构示意图，由图3可知，W1Se7团簇倾向物理吸附在单层WSe2表面，而WxSe8-x(x＝2-7)团簇倾向化学吸附在单层WSe2表面。
图4为纯的Sem(m＝1-8)团簇吸附在单层WSe2表面的能带排列示意图，由图4可知，Sem(m＝2,7)团簇吸附形成二型能带排列。Sem(m＝3,4,5,6,8)团簇吸附形成二型能带排列。
图5为纯的Wn(n＝1-8)团簇吸附在单层WSe2表面的能带排列示意图，由图5可知，Wn(n＝1,2,4,6,7)团簇吸附形成一型能带排列。Wn(n＝3,5,8)团簇吸附后体系表现为金属性。
图6为WxSe8-x(x＝1-7)团簇吸附在单层WSe2表面的能带排列示意图，由图6可知，W1Se7团簇吸附形成二型能带排列。WxSe8-x(x＝2-6)团簇吸附形成一型能带排列。
本实施例通过前驱体团簇沉积的方法，对单层WSe2的光电转化性质进行了调控。团簇沉积在WSe2表面上，该结构表现出下列三个优点：
1.纯Sem(m＝1-8)团簇沉积在单层WSe2表面能实现不同的能带排列。其中，纯Sem(m＝2,7)团簇沉积实现一型能带排列。纯Sem(m＝3,4,5,6,8)团簇沉积实现二型能带排列。一型能带可以实现快速的电子空穴复合，二型能带能够有效的分离光生电子空穴对。因此，控制形成不同的纯Sem(m＝1-8)团簇沉积在WSe2表面可以实现不同的应用。
2.纯Wn(n＝1-8)团簇倾向化学吸附在单层WSe2表面上。W原子的扩散势垒很低，因此，容易聚集形成三维立体结构。W团簇吸附在费米能级附近引入了态密度，纯Wn(n＝1,2,4,6,7)团簇沉积实现一型能带排列。纯Wn(n＝3,5,8)团簇沉积为金属性。因此，表面吸附W团簇能够促进电子和空穴的复合。
3.对于混合的WxSe8-x(x＝1-7)团簇，当x＝1时，采取物理吸附，当1<x<8，采取化学吸附。特别的，W1Se7团簇与单层WSe2能够形成二型能带排列的异质结。WxSe8-x(x＝2,3,4,5,6)团簇沉积在单层WSe2表面上能够实现一型能带排列的异质结。因此，在单层WSe2表面上沉积不同的WxSe8-x(x＝1-7)团簇能够实现不同的能带排列。
尽管上述实施例对本发明做出了详尽的描述，但它仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部实施例，还可以根据本实施例在不经创造性前提下获得其他实施例，这些实施例都属于本发明保护范围。

Claims (8)

1.一种前驱体团簇沉积调控单层过渡金属二硫化物的电子和光电性能的预测方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)构建不同构型的过渡金属原子团簇，所述过渡金属原子团簇为钨团簇，将不同构型的过渡金属原子团簇吸附在单层过渡金属二硫化物模型表面，构建得到过渡金属原子团簇表面沉积的单层过渡金属二硫化物模型，将所述过渡金属原子团簇表面沉积的单层过渡金属二硫化物模型进行结构优化，分析结构优化后的过渡金属原子团簇表面沉积的单层过渡金属二硫化物模型的能量稳定性，得到稳定的过渡金属原子团簇吸附单层过渡金属二硫化物模型；
构建不同构型的硫属元素原子团簇，所述硫属元素原子团簇为硒团簇，所述不同构型的硫属元素原子团簇包括链状结构的硫属元素原子团簇、环状结构的硫属元素原子团簇和三维立体结构的硫属元素原子团簇，将不同构型的硫属元素原子团簇吸附在单层过渡金属二硫化物模型表面，构建得到硫属元素原子团簇表面沉积的单层过渡金属二硫化物模型，将所述硫属元素原子团簇表面沉积的单层过渡金属二硫化物模型进行结构优化，分析结构优化后的硫属元素原子团簇表面沉积的单层过渡金属二硫化物模型的能量稳定性，得到稳定的硫属元素原子团簇吸附单层过渡金属二硫化物模型；
(2)将单层过渡金属二硫化物模型表面扩胞，在表面扩胞后的单层过渡金属二硫化物模型表面的不等效吸附位点吸附过渡金属原子，所述不等效吸附位点包括空位、顶端和桥位中的任意一种；分析不同不等效吸附位点处的过渡金属原子吸附单层过渡金属二硫化物的能量稳定性，得到过渡金属原子吸附的稳定性不等效吸附位点；在相邻两个稳定性不等效吸附位点上各吸附1个过渡金属原子，结构优化后作为过渡态搜索的初态，过渡态搜索的末态为步骤(1)得到的过渡金属原子数为2的稳定的过渡金属原子团簇吸附单层过渡金属二硫化物模型，利用CI-NEB的方法，生成过渡金属原子扩散路径，计算过渡金属原子扩散的势垒；
将单层过渡金属二硫化物模型表面扩胞，在表面扩胞后的单层过渡金属二硫化物模型表面的不等效吸附位点吸附硫属元素原子，所述不等效吸附位点包括空位、顶端和桥位中的任意一种；分析不同不等效吸附位点处的硫属元素原子吸附单层过渡金属二硫化物的能量稳定性，得到硫属元素原子吸附的稳定性不等效吸附位点；在相邻两个稳定性不等效吸附位点上各吸附1个硫属元素原子，结构优化后作为过渡态搜索的初态，过渡态搜索的末态为步骤(1)得到硫属元素原子数为2的稳定的硫属元素原子团簇吸附单层过渡金属二硫化物模型，利用CI-NEB的方法，生成硫属元素原子扩散路径，计算硫属元素原子扩散的势垒；
(3)采用遗传算法搜索包含过渡金属原子和硫属元素原子的化合团簇，所述化合团簇为硒钨化合团簇，将所述搜索到的化合团簇吸附在单层过渡金属二硫化物模型表面上，构建得到化合团簇表面沉积的单层过渡金属二硫化物模型，将所述化合团簇表面沉积的单层过渡金属二硫化物模型进行结构优化，分析结构优化后的化合团簇表面沉积的单层过渡金属二硫化物模型的能量稳定性，得到稳定的化合团簇吸附单层过渡金属二硫化物模型；改变所述过渡金属原子和硫属元素原子的摩尔配比，得到不同摩尔配比条件下的稳定的化合团簇吸附单层过渡金属二硫化物模型，建立不同摩尔配比条件下的稳定的化合团簇吸附单层过渡金属二硫化物模型的二维化学势相图，表征不同摩尔配比条件下的稳定的化合团簇吸附单层过渡金属二硫化物模型稳定存在的化学势区间；
(4)计算稳定的过渡金属原子团簇吸附单层过渡金属二硫化物模型中过渡金属原子团簇的投影态密度和单层过渡金属二硫化物的投影态密度；分析比较费米能级附近的态密度的变化，分析过渡金属原子团簇沉积对单层过渡金属二硫化物表面的电子性质的影响；
计算稳定的硫属元素原子团簇吸附单层过渡金属二硫化物模型中硫属元素原子团簇的投影态密度和单层过渡金属二硫化物的投影态密度；分析比较费米能级附近的态密度的变化，分析硫属元素原子团簇沉积对单层过渡金属二硫化物表面的电子性质的影响；
分别计算不同摩尔配比条件下的稳定的化合团簇吸附单层过渡金属二硫化物模型中不同摩尔配比的化合团簇的投影态密度和单层过渡金属二硫化物的投影态密度；分别比较费米能级附近的态密度的变化，分析不同摩尔配比的化合团簇沉积对单层过渡金属二硫化物表面的电子性质的影响。
2.根据权利要求1所述的预测方法，其特征在于，所述钨团簇为Wn，n＝1-8；
所述硒团簇为Sem，m＝1-8；
所述硒钨化合团簇为WxSe8-x，x＝1-7。
3.根据权利要求1所述的预测方法，其特征在于，所述步骤(1)中，所述不同构型的过渡金属原子团簇包括链状结构的过渡金属原子团簇、环状结构的过渡金属原子团簇和三维立体结构的过渡金属原子团簇。
4.根据权利要求1所述的预测方法，其特征在于，所述步骤(1)中，所述单层过渡金属二硫化物的晶格长度大于
5.根据权利要求1所述的预测方法，其特征在于，所述步骤(1)中，所述吸附时，所述过渡金属原子团簇或硫属元素原子团簇与所述单层过渡金属二硫化物的距离为
所述步骤(3)中，所述吸附时，所述化合团簇与所述单层过渡金属二硫化物的距离为
6.根据权利要求1所述的预测方法，其特征在于，所述步骤(3)中，所述化合团簇吸附的朝向包括水平朝向和竖直朝向。
7.根据权利要求1所述的预测方法，其特征在于，所述步骤(1)中的结构优化、能量稳定性分析，所述步骤(2)中的能量稳定性分析、结构优化和扩散的势垒的计算，所述步骤(3)中二维化学势相图的建立，所述步骤(4)中的投影态密度的计算均采用VASP6.3.0软件包；截断能设置均为500eV，能量收敛标准为模型结构能量变化的范围均小于10-5eV，原子受力变化均小于
8.根据权利要求1或7所述的预测方法，其特征在于，所述步骤(1)中的结构优化、能量稳定性分析，所述步骤(2)中的能量稳定性分析、结构优化和扩散的势垒的计算，所述步骤(3)中二维化学势相图的建立，所述步骤(4)中的投影态密度的计算均加入范德华修正，所述范德华修正包括DFT-D3 BJ阻尼，IVDW＝12。
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