具有高载流子迁移率的二维新能源材料的理论研究

摘要

“能源”和“环境”是人类面临的两大问题。传统的化石燃料在地球的储量有限，无法满足人类可持续发展的需求。传统的能源在开采、加工和使用的过程中都会给环境带来危害。解决能源问题主要从以下三方面入手:①开发新型清洁能源，例如风能、水能以及太阳能等;②完善能源的吸收、转化以及存储器件，提高能源器件的效率，降低成本;③优化能源消耗器件，制造低功耗的新型器件。这些新能源和新器件的革新与新材料的发展密不可分。近年来随着石墨烯材料的发现，一系列新型二维材料相继被实验和理论报道，具有高载流子迁移率的二维材料在能源的吸收、转化和存储等领域中有着广泛的应用前景。
　　本文基于密度泛函理论的计算，旨在从原子的尺度上揭示二维高载流子迁移率材料在新能源领域的应用机理、物理机制和调控方法，为相关的实验研究提供理论依据。所涉及的二维材料包括:PdSe2和具有“开罗”结构的过渡金属硫族化合物，SiC6材料以及Ti2C MXene。着重讨论了光吸收性质，电解水机制和Li-S电池等相关过程。主要研究内容和结果如下所示:
　　1)提出了一种新型的PdSe2单层结构，证明了其能量和动力学稳定性，并预言了一种可能的合成途径，即通过硒化金属Pd(111)。计算表明，PdSe2具有一个适中的带隙1.10eV和较小的面内硬度54J/m2。并且具有极好的延展性，可以承受35％的应变。在平衡状态下，二维PdSe2的载流子迁移率达到9800-42000cm2v-1s-1。外加应力可以有效的调控其电子结构和光吸收性质。当应变超过14％的时候，二维PdSe2会发生从半导体到金属的转变。在平衡状态下，PdSe2可以吸收很宽范围的可见光。大的拉伸应变会屏蔽它对可见光的吸收，而增强其在红外光的吸收。比如当应变达到12％的时候，PdSe2对能量为1.0-2.0eV范围内光的吸收几乎为零，而对0.3-1.0eV范围内的红外光有明显的吸收;在压缩应变下，PdSe2对光的吸收会向高能方向移动。这种延展性好、高载流子迁移率的超软二维PdSe2材料有望在光电器件以及太阳能能源领域得到应用。
　　2)二维“开罗”结构的硫族化合物(cairo-TMDs)PdSe2具有稳定性好，比表面积大和载流子迁移率高的优点。在量子力学第一性原理计算的基础上，预言:二维“开罗”结构的TMD2材料(TM=Ni，Pd，Pt;D=Se，S，Te)是一类良好的电解水产氧(OER)催化剂。理论OER极限过电势为0.16-0.245V，可以和含贵金属Pt的化合物催化剂相媲美。过电势与O/OH/OOH的吸附能差之间存在线性关系，在TMD2中，TMTe2以及TMSe2对O/OH/OOH有比较合适的吸附能，因此具有更低的过电势。含有非贵金属Ni的NiD2比PtD2具有更好的OER性能。这为设计寻找廉价的非贵金属OER新能源材料提供了理论依据。
　　3)提出了由sp2杂化的碳原子和sp3杂化的硅原子组成的新型二维碳化硅材料SiC6。由于独特的二维“草帽”构造，SiC6具有特殊的力学性质:负泊松比性质;它克服了石墨烯零带隙的缺点，具有一个0.73eV的带隙，但同时具有较高的载流子迁移率。沿[110]方向空穴的迁移率达到了102cm2V-1s-1数量级，而电子的迁移率更高，达到了104cm2V-1s-1数量级;沿[110]方向，空穴的迁移是受阻的，而电子迁移率在103cm2V-1s-1数量级。在应力调控下，电子的最大迁移率可以达到3.155×104cm2V-1s-1，但空穴始终保持低的迁移率（＜102cm2V-1s-1）。应力不仅可以调控SiC6的迁移率，还可以改变SiC6的带隙。压缩应变可以使SiC6由间接带隙变为直接带隙的半导体。同时从理论上预言了一种合成方法。这种具有特殊的力学电学特性和高载流子迁移率的新型二维碳化硅材料有望在纳机械学、电子学以及能源领域得到应用。
　　4)研究了Ti2C MXene作为锂硫电池的阴极宿硫材料的可行性及相应的物理机制。基于第一性原理的计算表明，由于硫分子与Ti2C MXene表面的相互作用较强，吸附在Ti2C MXene表面的硫分子会发生分解，形成Ti-S键，使得Ti2CMXene的表面被S饱和，形成“自硫化”的表面。这种自硫化的表面(S-Ti2C)既保持了金属性质，又对多硫化物具有合适的吸附能。这使得S-Ti2C可以有效的帮助阴极的电化学反应并且阻止多硫化物在电极之间的穿梭效应。相比石墨烯，Li2S中的Li在S-Ti2C表面更容易扩散，这种低的扩散势垒使得S-Ti2C锂硫电池具有较快的充电速度。这些研究结果揭示了Ti2C MXene良好锂硫电池性能的微观机制。也为设计锂硫电池提供理论的依据。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 二维材料概述

1．2 二维新能源材料

1．2．1 二维太阳能转化材料

1．2．2 二维电化学催化材料

1．2．3 二维锂硫电池阴极材料

1．3 高载流子迁移率二维新能源材料

1．4 选题意义

1．5 论文结构

参考文献

第二章 理论方法

2．1 电子态的描述

2．1．1 多粒子体系的薛定谔方程

2．1．2 Hartree-Fock方法

2．2 密度泛函理论

2．2．2 Kohn-Sham方程

2．2．3 交换关联泛函

2．2．4 赝势方法

2．2．5 布洛赫定理以及平面波方法

2．3 第一性原理计算软包简介

2．3．2 PHONOPY软件包

参考文献

第三章 应力调控高载流子迁移率PdSe2的光吸收

3．1 引言

3．2 计算方法

3．3 PdSe2结构的设计和稳定性分析

3．4 PdSe2结构的力学性质

3．5 PdSe2电子结构和迁移率

3．6 应力调控PdSe2电子结构和光吸收

3．7 小结

参考文献

第四章 二维“开罗"结构过渡金属硫族化合物的电解水机制

4．1 引言

4．2 计算方法

4．3 Cairo-TMDs结构

4．4 Cairo-TMDs电子结构

4．5 电解水产氧过程和计算方法

4．6 Cairo-TMDs的OER性能

4．7 Cairo-TMDs中的线性关系

4．8 小结

参考文献

第五章 各项异性高载流子迁移率SiC6硅碳烯的理论研究

5．1 引言

5．2 计算方法

5．3 SiC6硅碳烯结构设计和稳定性

5．4 SiC6硅碳烯的力学性质

5．5 SiC6硅碳烯电子结构

5．6 应力调控SiC6硅碳烯能带结构

5．7 SiC6硅碳烯的合成方法设计

5．8 小结

参考文献

第六章 Ti2C MXene Li-S电池自硫化效应

6．1 引言

6．2 计算方法

6．3 Ti2C的自硫化机制

6．4 S-Ti2C对多硫化物的固定效应

6．5 吸附多硫化物的S-Ti2C的电学性能

6．6 S-Ti2C Li-S电池的充电过程

6．7 小结

参考文献

第七章 结论与创新点

7．1 结论

7．2 创新点

7．3 展望

致谢

攻读博士期间参与的项目

获奖情况

发表论文

参加的学术会议与培训