以优化类石墨烯VIB族过渡金属硫属化合物的光电性质为目标的材料设计研究

The family of VIB-transition-metal dichalcogenides represented by molybdenum disulfide is one of new Graphene-like two-dimensional nanostructural materials. Recently it becomes a hot subject of optoelectronic functional materials. Different from the zero-band-gap Graphene, these materials are semiconductors with the band gap of 1－2 eV, and the monolayer structure shows strong direct-gap optical transition, therefore showing important potential application in many optoelectronic devices. Via applying various tuning approaches commonly used in semiconductors, available research tunes its optoelectronic properties within some range; but due to the diversity of optoelectronic properties and the flexibility of tuning approaches that may be added in, there is much space for further optimization. In this project, by using several approaches of computational material design combining with first-principle electronic-structure calculations, we propose to perform material design study targeting at optimizing several optoelectronic properties of VIB-transition-metal dichalcogenides with the full consideration of the effects of various tuning approaches (including applying strain, nanostructuring, different components forming alloys and superlattices, doping impurities, etc.). The aim is to further broaden available space of the change of these optoelectronic properties, discover new functional materials with distinguished properties, and strengthen the understanding of the mechanism underlying the optoelectronic properties being tuned.

以二硫化钼为代表的VIB族过渡金属硫属化合物是一类与石墨烯类似的新型准二维纳米材料；近年来，由于其独特的结构和光电性质，成为了光电信息功能材料的研究热点。与零带隙的石墨烯不同，该体系是带隙为1－2 eV 的半导体，且单层结构具有强直接带隙光跃迁，因而在多种光电器件中有着重要的应用前景。已开展的研究通过施加在半导体材料中常用的调控手段，对其光电性质在一定范围内进行了调节；但由于体系性质的多样性及可施加调控手段的灵活性，仍存在很多进一步优化的空间。本项目拟综合考虑各种调控手段（包括应变、纳米维度的尺寸效应、多种组分之间形成合金及超晶格结构、杂质掺杂等）的影响作用，利用多种计算材料设计方法结合第一性原理电子结构计算，对VIB族过渡金属硫属化合物体系开展以优化多种光电性质为目标的材料设计研究，以期进一步拓宽其光电性质的可调节空间，发现具有优异性质的新型材料，同时加深对光电性质调节机制的物理理解。

以二硫化钼为代表的VIB族过渡金属硫属化合物是一类与石墨烯类似的新型准二维纳米材料。近年来，由于其独特的结构和光电性质，成为了光电信息功能材料的研究热点。与零带隙的石墨烯不同，该体系是带隙为1-2 eV 的半导体，且单层结构具有强直接带隙光跃迁，因而在多种光电器件中有着重要的应用前景。本项目首先基于“高通量计算”材料设计框架，开发了具有自主知识产权、以吉林大学命名的“JUMP2”材料设计软件包；基于发展的软件包，综合考虑各种调控手段的影响作用，结合第一性原理电子结构计算，对VIB族过渡金属硫属化合物体系开展了以优化多种光电性质为目标的材料设计研究，获得了若干创新性的研究成果，主要包括：（1）揭示了VIB族过渡金属硫属化合物中间接→直接带隙转变的物理机制；（2）提出了VIB族过渡金属硫化物中有效质量调控的可行方案；（3）探索了VIB族过渡金属硫化物的层间堆积超晶格结构对带隙的调节作用；（4）系统研究了典型二维层状材料的剥离能和摩擦特性。上述研究成果拓宽了VIB族过渡金属硫化物光电性质的可调节空间，加深了对其光电性质调节机制的物理理解，对实验合成具有优异光电性质的新型材料具有重要的参考价值。.项目执行期间，共发表标注项目号的SCI学术论文10篇，其中，影响因子大于7.0的SCI论文6篇，包括Nat. Rev. Mater. 1篇、J. Am. Chem. Soc. 3篇、Nano Lett. 1篇、J. Phys. Chem. Lett. 1篇、Chem. Mater. 1篇。项目组在国际学术会议做特邀报告7次，国内会议20次。本项目培养了3名博士生、1名硕士生、在站博士后3人、在读博士生8人、硕士生6人，项目负责人张立军教授获得了国家自然科学基金优秀青年项目资助。