以石墨烯、二硫化钼为代表的二维材料在清洁能源应用中若干关键物理问题的理论研究

The development and utilization of solar energy, hydrogen and lithium ion battery, and other sustainable clean energy is one of the core strategy in countries around the world. Two-dimensional materials like graphene and MoS2, owing to their unique properties, hold a great potential for applications in clean energy. In this project, we will explore several key physical issues about the applications of graphene, MoS2 and other two-dimensional materials in solar energy, hydrogen evolution reaction, lithium ion battery and theomalelectricity. That is, the interface of graphene-Si heterojunction, dynamic effect in MoS2 catalytic hydrogen evolution reaction, mechanism for the 2H-1T structural transition of MoS2, Li and Na diffusion in their ion batteries, as well as the thermoelectric figure of merit of Bi2Te3 film. We aim to illustrate the role of two-dimensional materials, establish the relation between the system performance and the intrinsic mechanism, and clarify the influence of the material configuration, composition and environment on the property modulation and hence the relevant energy application, in order to theoretically explore the improvement scheme of improving the efficiency of energy conversion, further design and develop new type, efficient and commercialized clean energy.

开发利用太阳能、氢能和锂离子电池等可持续性清洁能源是世界各国的核心战略之一。石墨烯、MoS2等二维材料由于其自身优异的性质，在清洁能源领域应用中展示出极其重要的应用价值和发展潜力。本项目通过对石墨烯、MoS2等二维材料在太阳能、催化析氢和可充电电池等清洁能源领域应用中若干关键性物理问题的研究——包括石墨烯-Si异质结界面结构和性质；MoS2族系催化析氢反应动力学因素影响；电子注入导致MoS2发生2H-1T结构相变的物理机制；Li、Na等离子在可充电电池中的扩散；Bi2Te3等二维材料的热电优值ZT——致力于建立二维材料所起关键作用的物理图像，明确其影响系统宏观表现力的微观原理和机制，阐明二维材料构形、成分以及环境对其性能的调制和相关能源应用的影响，从理论上探索提高能量转化效率的改良方案，以为设计和发展新型、高效、可商业化的清洁能源提供理论指导。

距2004年首次报道石墨烯的场效应已有17年。二维材料能否成为后硅时代科技生产力的脊梁和其高效的使用方式，依然是个开放问题。二维所呈现的新的结构和新的性质带给人们——或解决日渐突出的能源危机、环境问题等；或引发基本物理理论的革新和革命，如解释高温超导等——新的希望。基于密度泛函理论（DFT）的第一性原理计算是研究二维材料基本物性的有力工具。本项目围绕二维材料物性的第一性原理研究，在激子效应、普适现象和DFT方法发展三个方面取得了重要结果，具体包括：.（1）提出半导体中激子失稳理论并预言材料[PRL 124, 166401 (2020)；PRL 122, 236402 (2019); PRB 102, 155119 (2020)；PRB 98, 081408(R) (2018)]。我们发现激子绝缘体的出现源于“特征”暗激子态的形成，并利用第一性原理GW-BSE计算预言二维GaAs，TiS3，Graphone和过渡金属卤化物单层等是激子绝缘体。对磁性材料中激子失稳的研究，发现了单自旋激子凝聚现象。由于激子绝缘体本征的量子关联特性，有望用于未来的量子信息和量子计算。同时，激子绝缘体的研究也有助于深化理解凝聚态体系中的多体相互作用、促进揭示超导和超流机理。.（2）发现二维半导体普适现象[PRL 139, 5849 (2017); Nanoscale 9, 2068 (2017)]。对一系列典型二维材料的研究表明：准粒子能隙和激子结合能这两个在三维情况下完全独立的物理量之间存在着稳定的、不依赖于任何参数或物理常数的线性关系，即：能隙约为激子结合能的4倍。此外，我们发现可以用单一的界面距离来判断顶接触金属-二维半导体结是肖特基型还是欧姆型。.（3）揭示芯电子交换作用在DFT低估半导体能隙中的作用[JCP 151, 124703 (2019); PCCP 20, 18844 (2018)。我们发现增加芯电子的交换作用可系统性的改善DFT方法对半导体能隙的低估。其背后的物理思考是：sp和d电子的局域化程度差异显著，因而自相互作用产生的离域化误差必须区别对待。此研究为理解DFT的能隙低估问题提出了新思路，也为系统地改进第一性原理的交换关联泛函指出了新的选择。