剪切应变对Mn掺杂MoS2电子结构和光学性质影响的理论研究

doi:10.16553/j.cnki.issn1000-985x.2025.0185

摘要/Abstract

摘要： 本文运用基于密度泛函理论的CASTEP软件，研究了Mn掺杂单层MoS₂体系的晶体结构、电子结构和光学性质，并系统研究了剪切应变对（Mo，Mn）S₂体系电子结构和光学性质的调控规律。结果表明，Mn掺杂MoS₂形成的替代缺陷中，Mn_Mo缺陷的形成能最小。Mn_Mo缺陷的引入降低了MoS₂的禁带宽度，提高了掺杂体系对可见光区和红外光区光子的吸收能力。由于Mn_Mo诱导的杂质能级的出现，掺杂体系光学吸收谱的吸收边落在红外光区；当施加剪切应变后，掺杂体系的禁带宽度发生变化，从而影响了掺杂体系的光学性质。不同剪切应变下掺杂体系的禁带宽度与晶场劈裂能的大小有关，-4%剪切应变下，Mn原子周围6个S原子形成的三棱柱晶场对Mn-3d电子的作用较小，此时掺杂体系的禁带宽度为0.42 eV，价带顶电子跃迁到导带底对所需要吸收光子的能量最小；-4%剪切应变体系对红外光区光子的吸收能力提升最好，吸收幅度最大；剪切应变的施加，对掺杂体系的复介电函数和反射系数均有影响，施加负剪切应变，有利于掺杂体系复介电函数在低能光区数值的提升，提高掺杂体系中价电子的跃迁概率和光生电子空穴对的分离概率，使掺杂体系的光催化性能得到很大的改善；此外，掺杂体系的光学性质也与Mn_Mo缺陷的掺杂浓度有关，-4%剪切应变下，均匀掺杂4个Mn_Mo的体系在可见光区和红外光区的光学吸收幅度最大，此时对应的Mn_Mo掺杂摩尔分数为5.3%。本文的研究结果可为MoS₂在光学领域的应用提供一种新途径。

关键词: MoS₂; Mn掺杂; 剪切应变; 光学性能; 第一性原理计算

Abstract: Performed the CASTEP code based on the density functional theory （DFT），the crystal structures，electronic structures and optical properties of Mn doped monolayer MoS₂were_{studied in this paper，the regulation of shear strain on electronic structures and optical properties of （Mo， Mn）S₂ systems were systematically investigated. The results show that the formation energy of Mn_Mo defect is the smallest for substituted defects in Mn doped MoS₂. The introduction of Mn_Mo defect reduces the band gap MoS₂ and improves the absorption ability of doped system for visible and infrared photons. Because of the appearance of impurity energy levels induced by Mn_Mo，the absorption edge of optical absorption spectrum of doped system falls in the infrared region. When the shear strain is applied， the band gap of the doped system changes， which affect the optical properties of Mn doped MoS₂ system. The band gap of doped system under different shear strains is related to the magnitude of crystal field splitting energy. Under the shear strain of -4%，the triangular prism crystal field formed by the six S atoms around Mn atom has a relatively small effect on Mn-3d electrons，and the band gap of Mn doped MoS₂ system is 0.42 eV，which means the energy required to absorb photons for the valence band top electrons to transition to the conduction band bottom pairs is the smallest. The Mn doped MoS₂ system under shear strain shows the best improvement in the absorption ability of photons in the infrared region with the maximum absorption amplitude.The application of shear strain has an effect on the complex dielectric function and reflection coefficient of the doped system. The application of negative shear strain is beneficial to improve the complex dielectric function of doped system in the low-energy region，promote the transition probability of valence electrons and the separation of photogenerated electron hole pairs in doped system，which result in significant improvement in the photocatalytic performance of doped system. Moreover，the optical properties of doped system are also related to the doping concentration of Mn_Mo defects. Under the shear strain of -4%，the optical absorption amplitude of the system uniformly doped with four Mn_Mo is the largest in the visible and infrared light regions， and the corresponding Mn_Mo doping mole fraction is 5.3%. This results provide a new approach for the application of MoS₂ in the field of optics.}

Key words: MoS₂; Mn doping; shear strain; optical property; first-principles calculation

中图分类号:

O433

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图/表 14

图1 晶体结构示意图。（a）MoS2超晶胞结构的俯视图（上）和侧视图（下）；（b）第一布里渊区中的取点路径；（c）掺杂Mn原子周围6个近邻S原子形成的三棱柱结构

Fig.1 Structure diagram of crystal structure. （a） Vertical（top） and side（bottom） views of MoS2 supercell structure；（b） point taking path in first Brillouin zone；（c） triangular prism structure formed by six nearest neighboring S atoms around doped Mn atom

图2 零剪切应变下本征MoS2和MnMo体系的光学吸收谱

Fig.2 Optical absorption spectra of intrinsic MoS2 and MnMo systems without shear strain

图3 零剪切应变下本征MoS2（a）和MnMo体系（b）的能带结构

Fig.3 Band structures of intrinsic MoS2 （a） and MnMo system （b） without shear strain

图4 零剪切应变下本征MoS2和MnMo体系的TDOS（a）和不同剪切应变下MnMo体系中Mn的PDOS（b）

Fig.4 TDOS of intrinsic MoS2 and MnMo system without strain （a）， and PDOS of MnMo system under different shear strains （b）

图5 MnMo体系光学吸收谱随剪切应变的变化

Fig.5 Variation of optical absorption spectra of MnMo system with shear strain

图6 不同剪切应变下MnMo体系的能带结构

Fig.6 Band structures of MnMo system under different shear strains

图7 MnMo体系晶体结构随剪切应变的变化

Fig.7 Variation of crystal structures of MnMo system with shear strain

表1 不同剪切应变下三棱柱的体积和MnMo体系的禁带宽度

Table 1 Volume of triangular prisms and band gap of MnMo system under different shear strains

Shear strain/%	-4	-2	0	2	4
Volume/Å³	14.53	12.57	12.23	12.13	11.75
Band gap/eV	0.42	0.44	0.45	0.63	0.90

表2 不同剪切应变下掺杂Mn原子的键布局数值、键长和有效电荷q*

Table 2 Bond population value， bond length and effective charge q* of doped Mn atom under different shear strains

Shear strain/%	Bond	Bond population value	Bond length/nm	q*
-4	Mn—S1（S4）	0.04	0.238	3.99
	Mn—S2（S5）	0.01	0.268	4.00
	Mn—S3（S6）	0.06	0.232	3.97
-2	Mn—S1（S4）	0.07	0.234	3.96
	Mn—S2（S5）	0.07	0.236	3.96
	Mn—S3（S6）	0.07	0.234	3.96
0	Mn—S1（S4）	0.07	0.234	3.96
	Mn—S2（S5）	0.07	0.230	3.96
	Mn—S3（S6）	0.07	0.234	3.96
2	Mn—S1（S4）	0.08	0.232	3.95
	Mn—S2（S5）	0.08	0.232	3.95
	Mn—S3（S6）	0.08	0.231	3.95
4	Mn—S1（S4）	0.08	0.230	3.95
	Mn—S2（S5）	0.08	0.230	3.95
	Mn—S3（S6）	0.08	0.230	3.95

图8 不同剪切应变下MnMo体系的复介电函数

Fig.8 Complex dielectric functions of MnMo system under different shear strains

图9 不同剪切应变下MnMo体系的反射系数

Fig.9 Reflection coefficient of MnMo system under different shear strains

图10 -4%剪切应变下S（n）结构的光学吸收谱

Fig.10 Optical absorption spectra of S（n） with shear strain of -4%

图11 S（4）结构体系中4个Mn原子掺杂位置示意图

Fig.11 Schematic diagrams of four Mn atom doping positions in S（4） structural system

图12 S（4）结构体系中4种结构的光学吸收谱

Fig.12 Optical absorption spectra of four structures in S（4） structural system

参考文献 68

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剪切应变对Mn掺杂MoS₂电子结构和光学性质影响的理论研究

Theoretical Study on Influence of Shear Strain on Electronic Structure and Optical Properties of Mn Doped MoS₂

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