1.1目的与意义

二硫化钼是一种带隙不为零过渡金属硫族化合物。单层二硫化钼的晶体结构是由S-Mo-S三层原子层堆叠形成的晶体结构，硫离子与钼离子以共价键连接。单层二硫化钼是直接带隙半导体，它的禁带宽度为1.8eV。体材料二硫化钼具有和石墨烯类似的层状结构，层间以范德华力连接，是禁带宽度为1.29eV的间接带隙半导体。二硫化钼与石墨烯等无带隙的二维材料相比具有许多独特的性质，如高电子迁移率和发光效率。另外，二硫化钼具有化学稳定性和热稳定性良好, 比表面积大, 表面活性高等优点。二硫化钼的上述特性使其在电子探针、固体润滑剂 、多相催化剂、电化学储氢、以及离子电池正极材料应用等方面获得广泛的研究与应用。其中单层二硫化钼是一种新型二维半导体材料，在离子电池、气体探测器、发光二极管和新型晶体管材料等方向有着重要作用。多层二硫化钼材料介于体材料与单层之间，其禁带宽度在1.2eV到1.8eV之间，光敏感性极好，是一种极为理想的光学材料。且多层二硫化钼半导体的物理性质与层数密切相关，故可以利用不同层数的二硫化钼制作出不同波段的光电探测器以及其他光学器件。单层二硫化钼薄膜与二硫化钼晶体的电子结构与光学性质存在很大的差异。这种差异，显然与层与层之间的范德华力有直接联系。

如何改变并控制这种差异，使得二硫化钼表现出稳定的光学性质，是我们亟待解决的难题。目前，能稳定影响二硫化钼光学性质的方法有：控制二硫化钼材料的分子层数、将二硫化钼材料与不同衬底结合、改变二硫化钼材料工作的介电环境、对二硫化钼材料施加应变作用等。比较上述方法，前两种方法在二硫化钼材料的制备工艺与衬底种类的选择方面还存在很大的难度，而改变介电环境在实际应用上显然不可行。而通过应变作用影响二硫化钼材料的光学性质，有着简便易行，稳定，高效等优点。又考虑到目前对二硫化钼的研究主要集中在单层和电子结构，对于多层和光学性质的研究并不完善，特别是应变作用下的光学性质。因此，计算二硫化钼在应变作用下的光学性质对二硫化钼在光学材料方面的应用有着至关重要的作用。在计算方法上，本次研究从第一性原理出发，利用Material Studio（MS）软件，研究二硫化钼光学性质随应变作用变化的趋势。

1.2国内外研究状况

二硫化钼最早被当做固体润滑油使用，已有几百年的历史。由于其和石墨烯有着相似的外观和物理性质，人们常常将二者混淆。1927年，第一项关于二硫化钼固体润滑剂的专利才在美国发表，此后，二硫化钼凭借其优越的润滑性能和较稳定的化学性质被越来越多的人重视并加以研究。

二硫化钼的制备方法按是否发生化学反应可分为物理方法和化学方法。物理方法包括机械研磨和超声剥离。化学方法制备二硫化钼的方法较为灵活，制备方法包括水热法、模板法、微乳液合成法、有机金属离子-剥离法、化学气相沉积法等。二硫化钼作为一种新型光电材料，科学家对其的研究起步较晚。将二硫化钼的混合材料作为电池的正极材料的研究较为成熟。

在计算方法上，要计算二硫化钼的电子性质，最基本的方法是对构成该体系的多粒子系统的薛定谔方程进行求解。但由于二硫化钼材料体系中包含了巨大数量的原子核与电子，直接求解的方法非常困难，目前尚未有严格的解析解。故在实际的计算中，常常采用近似的方法来简化计算。由Born和Oppenheimer在1927年提出的伯恩—奥本海默近似就是这样一种简化方法。其核心内容为：在原子的运动当中，原子核的质量比电子大出许多，而电子的运动速度则比原子核快上许多。因此伯恩与奥本海默提出，可以近似的认为在某一时刻，考虑原子核运动时并不考虑电子的分布与影响，而考虑电子运动的时候将原子核近似为是静止不动的。这种计算方式被称为伯恩—奥本海默绝热近似。同年，Thomas和Fermi提出的托马斯一费米模型奠定了密度泛函理论的基础。1964年霍恩伯格一科恩(Hohenberg．Kohn)定理的提出，让密度泛函理论有了坚实的理论依据。霍恩伯格—科恩定理有两个基本定理：一：不计自旋的全同费米子系统的基态能量是粒子密度函数的唯一泛函。即，粒子数密度函数是决定系统基态物理性质的一个基本变量，所有基态性质、能量、波函数等都由密度函数唯一确定；二：在粒子数不变的情况下以粒子数密度为变量对能量泛函取极小值，可以得到基态的能量。在霍恩伯格—科恩定理的基础上，Kohn和Sham提出，可以假设一组与实际体系粒子密度相同的无相互作用的多电子体系，并引入一组正交归一基矢组来展开电子密度。这种方法将无相互作用粒子的动能与有相互作用粒子间的动能之差归入交换关联能当中，在总粒子数守恒的情况下对波函数求变分极小，得到Kohn.Sham方程。在近似求解方法上，Kohn和Sham又提出局域密度近似法。即近似假设空间各处电子均匀分布，则任意一点处电子的交换关联能均可以用与该点相同电子密度的均匀电子气的交换关联能来表示。

目前，在凝聚态物理和计算化学方面，第一性原理计算已发展到了相当成熟的地步，有着相当广泛的应用，对于材料电子结构和物理性质的计算已相当准确。第一性原理计算又称从头计算，它利用量子力学的基本原理来获得体系的基本性质。第一性原理仅需要基本的物理参数(电子质量、原子核质量等等)，无需任何实验参数的输入即可对材料的物理性质和基本状态进行计算。故本次研究采用第一性原理计算方法计算多层二硫化钼在应变作用下的光学性质。

在二硫化钼的光学性质方面的研究则比较少，相关研究包括：2012年，吴木生，徐波实验组进行了应变对单层二硫化钼能带影响的第一性原理研究。这个实验揭示了双轴拉应变下单层二硫化钼晶体的电子结构性质. 其计算结果表明对单层二硫化钼晶体施加一个很小的应变 (0.5%) 时，其能带结构由直接带隙转变为间接带隙.。随着应变的增加，能带仍然保持间接带隙的特征，且禁带宽度呈现线性下降的趋势.。同年，Emilio Scalise实验组发表了二维蜂窝结构的二硫化钼在应变诱导下进行半导体-金属的转变的报告。实验发现单层和双层体系的能带隙随着双轴应变的施加而减小。半导体-金属转变的拉伸应变约为8%，压缩应变约为15%。对于单层二硫化钼，在施加相对较小的应变（约2%）后，也观察到从直接带隙到间接带隙的转变。

2. 研究的基本内容与方案

2.1 研究内容和目标