近年来，由于二维材料石墨烯的发现，越来越多的二维材料展现在了人们的面前。由于石墨烯是无带隙的，并不适合电路的制作。所以，和石墨烯具有类似的结构的、性能高的二维材料成为各个领域科学家的研究对象。但是，由于是新型材料，很多二维材料异质结尚处在开发阶段。在本文中，我们以密度泛函理论为基础，重点研究了MoS2和MoSe2以及MoS2/MoSe2异质结的物理特性，包括能带宽度，晶格常数等。通过研究发现，不同的MoS2/MoSe2异质结构型不同，它们展现出的特性也是不同的。随着MoS2/MoSe2异质结中掺加的S和Se的比例不同他们的带隙宽度和晶格常数也是不同的。关键词 二维材料 ，MoS2 ，MoSe2，异质结，密度泛函理论 目 录
1 引言 1
1.1 MoS2和MoSe2的研究背景 1
1.2 异质结的研究现状 1
1.2.1 垂直和平面排列的WS2和MoS2异质结的研究 1
1.2.2 超快电荷转移原子薄MoS2/WS2异质结 3
1.2.3 在范德瓦尔斯作用下的发光二极管能带结构工程 3
1.2.4 图案化阵列侧向内单层二维半导体异质结 4
1.3 异质结研究存在的问题 5
2 理论方法和计算步骤 5
2.1 密度泛函理论的介绍 5
2.1.1 Kohn-Sham方程 7
2.1.2 交换关联能泛函 9
2.1.2.1 局域密度近似,LDA 10
2.1.2.2 广义梯度近似，GGA 10
2.1.3 轨道泛函：LDA(GGA)+U的方法 11
3 单层MoS2和MoSe2和其异质结的晶格结构和电子性质 11
3.1 计算的细节 11
3.2 单层MoS2和MoSe2的研究 12
3.3 不同排列情况下的MoS2/MoSe2异质结的研究 13
3.4 本章小结 17
展望 18
致 谢 19
1 引言
1.1 MoS2和MoSe2的研究背景
随着石墨烯[1]的发现，二维材料成为科学家追捧的对象，探寻新型二维材料在
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3.3 不同排列情况下的MoS2/MoSe2异质结的研究 13
3.4 本章小结 17
展望 18
致 谢 19
1 引言
1.1 MoS2和MoSe2的研究背景
随着石墨烯[1]的发现，二维材料成为科学家追捧的对象，探寻新型二维材料在二维材料领域成为了不可缺少的重要环节。这些大尺寸、高质量的二维材料，对于研究二维材料极限下新的性能非常重要，在物理、化学、电子、材料等众多领域都有诸多令人震惊的应用。现在，二维过渡族金属硫化物[2]、二维六方氮化硼、黒磷等二维材料也逐渐被科学家们熟悉，更加开拓了人们对二维材料的认知，二维材料得到了更加广泛的应用[3-5]。
半导体异质结是由两种不同材料的半导体形成的。因为两种形成材料的不同，他们有不同的禁带宽度、介电常数等物理性质，也因为他们形成异质结时的排列组合不同或者温度不同，形成的异质结会表现出各种各样的性质。相比较于传统的半导体材料，半导体异质结可以制造出更加优越的电子材料，比如各种光电探测器，发光二极管，电荷耦合器件CCD等。而现在，新型二维半导体材料的宠儿:二硫化钼[6]、二硒化钼逐渐成为各个领域科学家的重点研究对象。由于二硫化钼的能带可调性，在光电子器件的领域拥有更多的前景[7-8]。二硫化钼作为半导体，可以极具缩小规格而获得更高的能效，所以在纳米领域也具备强大的竞争力[9-11]。
1.2 异质结的研究现状
1.2.1 垂直和平面排列的WS2和MoS2异质结的研究
我们在这里研究了不同温度下，WS2和MoS2垂直和平面异质结形成情况。扫描透射电子显微镜的成像显示：高温度下，整体上，WS2会从MoS2的顶部向上外延然而低温情况下，WS2和MoS2大多会形成平面的异质结。通过拉曼光谱和光致发光光谱进一步验证了垂直和平面的异质结结构[12]。
我们首先看一下不同温度时，异质结的形成情况。如图一。


图1
图1:温度不同时WS2/MoS2形成的异质结也不同。左边，在850℃时WS2/MoS2会形成垂直双层的异质结，右边，在650℃时WS2/MoS2容易形成水平单层的异质结。
我们下面研究一下，垂直和水平情况时异质结的发光特性。见图2。


图2
图2：研究了垂直情况下的发光特性。a图光致发光下的WS2/MoSe2异质结光学图像,1点处是异质结处，2点是MoS2处，3、4点是WS2处；b图是a图的4个点处的PL光谱，展示出了光学特性，单层区域单峰，双层区域三峰。可以看到1点（异质结）处的发光特性比其他的都好。


图3
图3：展示了WS2/MoS2异质结的水平发光特性。上图表明：峰的位置是从630nm到650nm，峰正在接近异质结处（点2和点4）。在异质结处（点3）存在一个更强大的峰。说明了异质结处的发光特性是最好的。
1.2.2 超快电荷转移原子薄MoS2/WS2异质结
在这里，我们同时使用了光致发光映射和飞秒泵浦-探测光谱来做第一个超快电荷激发MoS2/WS2异质结的实验观察记录。研究表明，整个传输过程，光激发后，从MoS2层到WS2层仅用了50fs的时间对于范德瓦尔斯二维耦合来说是个令人震惊的速度[13]。
图4展示了MoS2/WS2能带排列和构造


图4
图a：一个单层MoS2躺在一个单层WS2上形成的异质结。由光产生的电子和空穴被展现在不同的层中。图b：拉曼光谱：蓝色的是MoS2红色的是WS2，黑色的是MoS2/WS2异质结。可以看到异质结完美的结合了二者的优点，使得在350cm-1到425cm-1处都有良好的发光表现。
1.2.3 在范德瓦尔斯作用下的发光二极管能带结构工程
在这里，我们通过引入一个原子平面的量子威尔斯（量子阱）将范德瓦尔斯异质结的复杂性和功能性提升到下一个层面。我们设计的发光二极管是由堆叠的金属石墨烯、绝缘六方氮化硼和各种复杂的精心设计的各种半导体单层做成的。我们的装置说明了，在弹性和透明板上制备的异质结，能为柔韧的和半透明的异质结提供基础。我们展示的异质结的功能范围有望增加有用的二维晶体的数量，提高他们的电子数量 [14]。


图5
图5展示了单量子阱和多量子阱的异质结。a图：hBN/GrB/2hBN/WS2/2hBN/GrT/hBN.的单量子阱。b图:a中展现的异质结的横截面亮场干像，比例尺5nm。C图: hBN/GrB/2hBN/WS2/2hBN/GrT/hBN.的多量子阱。d图：c中展现的异质结的横截面亮场干像。在MoS2的量子阱中hBN层的数量在变化。
1.2.4 图案化阵列侧向内单层二维半导体异质结
我们在这里展示一种在一个单一的二维晶体的光刻图案阵列侧向半导
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