摘 要

纳米二维材料二硫化锡具有优良的光学、催化、电化学、磁学及气敏等性质，在气敏传感器、电阻器、光电探测器、光导材料、发光材料、光催化剂、锂离子电池和太阳能电池等方面具有广泛应前景。使其成为纳米材料研究领域的热点之一，并在储能、催化、水处理、能量转换等领域展现出巨大的优势。采用基于密度泛函理论的第一原理计算方法,来计算研究少层SnS₂薄膜的微观几何结构、电子结构、电荷分布、电子能态以及W掺杂调控对SnS₂薄膜性能的调控。系统研究不同W掺杂的SnS₂薄膜对NH₃,H₂S吸附性能,寻找最有效的W掺杂对NH₃,H₂S气体的最佳选择性。从而为基于W掺杂的SnS₂薄膜器件的设计和研发提供一定的理论依据和支撑。

关键词： 二硫化锡 第一性原理 密度泛函数 电子结构 能带结构

Study on w - doping control of SNS _ 2 film's performance and adsorption of NH3 and H2S

Abstract

The first principle calculation method based on density functional theory is adopted, and the basic principles of molecular graphics, quantum chemistry, methods and calculation software programs such as ms and Vienna ab initio calculation software package ( vasp ) are used to calculate and study the micro-geometry structure, electronic structure, charge distribution, electronic energy state and w doping control of SnS₂ thin films to control the properties of SnS₂ thin films. The adsorption properties of different w - doped SnS₂ films on NH₃ and H₂S were systematically studied to find the most effective w - doped optimal selectivity to NH₃ and H₂S gases. So as to provide certain theoretical basis and support for the design and development of w - doped SnS ₂ thin film devices.

Key Words: SnS₂；First principle；Density universal function；adsorption；electronic structure；

band structure

目 录

摘要 I

Abstract II

第一章 绪论 1

1.1 SnS2材料结构 3

1.2材料制备 4

1.2.1喷雾热解法 4

1.2.2化学浴法 4

1.2.3真空热蒸发法 4

1.2.4热注入法 5

1.2.5化学气相沉积法 5

1.2.6电沉积法 5

第二章 研究方法 7

2.1第一计算性原理 7

2.1.1密度泛函理论 7

2.1.2平面波赝势 7

2.2计算软件介绍 8

2.2.1MaterialsStudio8.0 8

2.2.2CASTEP模块介绍 8

2.2.3VASP 8

第三章 不同W掺杂SnS₂吸附的第一性原理研究 9

3.1 计算模型及方法 9

3.1.1 计算SnS₂模型及方法 9

3.1.2能带结构 9

3.2.1计算W掺杂SnS2模型及方法 10

第四章 总结与展望 12

4.1总结 12

4.2展望 12

参考文献 13

致谢 15

绪论

自从十八世纪六十年代开始，不可再生的化石能源就一直作为社会发展的能源和动力。然而现在有专家指出，按照目前的使用速度，石油资源将在以后的几十年中用尽，而且煤炭的储量也仅能再支撑人类使用不到一百年。研究表明，化石能源的开采和燃烧已经对人类赖以生存的环境造成了污染，如采煤矿产生的水污染，燃烧产生的气体导致的温室效应和酸雨。如何处理好能源与环境之间的关系，而且能源与储备之间已经产生危机，这都是人类在二十一世纪面临的巨大挑战。而传统能源的生产、开发和供给完全不能满足人类对能源的极强的需要，从而使全球不得不想出一个解决办法。各国都急迫的需要找到一种可以对环境友好、储量极大、容易开发的能源，而太阳能显然就是这样的能量，因此受到世界各国的重视并大力开发。与此相比，传统的化石能源已经储量不足，并且在应用过程中还会产成对周遭环境造成污染的温室气体，造成温室效应。现在，国际社会上非常关注和顾虑全球的生态和环境问题，许多国家的政府都在尽力发展各种可再生的能源，例如风能、海洋能、潮汐能、地热能和太阳能等，希望借此摆脱对以往化石能源的依赖。但是风能需要在特定的某些地域才可以发展，而海洋能、潮汐能则是成本比较高昂且有些地区涨退潮不是很大导致发电效率并不高，能量多变，不怎么稳定。因此太阳能的好处一下子就彰显了出来，与不可再生资源相比太阳能是用不完的，与风能、潮汐能和海洋能想比，它更加稳定。而比起原子能他则更加无害，对环境更友好安全。而且成本比较低，不受外界因素的影响和限制。如今很多的研究成果表明了太阳能的优势，研究发现，由太阳内部巨大核能产生之后所辐射出来的能量，最终会有相当于130万亿吨煤的太阳辐射可以传达到地球。只要能收集这些散步在地球各个角落的太阳能并且有效的转换，人们的能量将得到很好的改善。总的来讲，将这些辐射能转化为电能是一种诱人的方式^[2]。越来越多的专家认为，随着世界范围内不可再生能源的大量消耗。大力发展光电转化技术一定可以对现在和未来的世界能源领域做出不可磨灭的贡献。

充分开发和有效利用太阳能，既可解决全球正在面临的能源危机，又可以不造成环境的污染，不影响地球的热能平衡。为尽可能不浪费抵达地球表面的太阳光能，过去的这几十年来已经研发出了许多种光伏电池和与之相对应的有机光伏材料^[3]。利用光电伏特效应，电池吸收光能来产生电动势，实现光能与电能之间的转换。第一代为单晶硅太阳能电池，使用的是晶圆技术，光电转换效率很高但成本高昂，工艺繁杂。第二代为多晶硅、非晶硅等太阳能电池，使用的是薄膜技术，多晶硅太阳能电池使用寿命短于单晶硅太阳能电池，转换效率也不如单晶硅太阳能电池，成本便宜一点。而非晶硅太阳能电池的成本低，电耗低，便于大规模生产，但是效率低，而且在强光作用系转换效率也会衰退。第三代就是多元化合物电池以及薄膜Si系太阳能电池，多元化合物薄膜太阳能电池包括砷化镓Ⅲ-Ⅴ化合物电池等，但由于铟和硒是稀有元素，含量极低^[6]。砷化镓材料价格不菲，所以这类电池的发展和普及受到了极大地限制。随着电子器件的发展，如今纳米材料具有成本低，稳定性好等优点，为人们提高电路的集成性和性能提供了新的方向。由于二维纳米材料厚度的一般比较薄，形貌也很独特，所以人们已经合成了各式各样的新品种，比如石墨烯和过渡金属硫化物等，将这些材料应用在了太阳能电池之中。由弱范德华( vdW )相互作用结合在一起的化学惰性层组成的层状金属二分物代表了石墨烯1 - 3之外的一类新兴的二维( 2D )材料。这些材料的单层和多层样品的独特电子性质正在被探索，以开发电子、光子学、化学传感、催化和能量存储等方面的新应用。这一领域近期的许多研究活动都集中在过渡金属硫属元素上，如二硫化钼，而对其他2D s - p金属硫属元素的兴趣只是最近才出现。MoS₂单层中直接带隙的发现引发了2D研究界的兴奋，在这些2D材料中观察到了包括非常有趣的激子物理在内的一些异常现象。在这方面，一个重要的问题是，当维数从体中的3D降低到2D单层或更少层样本时，其他层状间接带隙半导体是否显示类似的变换^[33]。层状s - p金属硫属化物的代表性例子之一是IV - VI族半导体二硫化锡( SnS₂ )和二硒锡(SnSe₂)。这些化合物具有层状结构，并表现出丰富的多型性，这是由相同的S - Sn - S ( Se - Sn - Se )层的各种堆叠序列产生的。SnS ₂和SnSe₂ 在过去已被大量研究。近年来，这些单层和多层材料已被用于相变存储器、水分离、场效应晶体管、气体传感器和高速光电检测等多种应用中。