二维MoS2晶体介绍

二维MoS2晶体介绍

郑建民PB12203247

由于二维MoS2具有独特的光特性、电特性，而且化学稳定性与热稳定性高，使得近几年来对其研究较多，所以借此机会讨论一下MoS2。

在这里主要介绍二维MoS2的结构、化学键、振动、能带、态密度和应用，同时将与块状MoS2、石墨烯等材料进行对比。

块状MoS2基本物理性质：

黑灰色，有金属光泽，触之有滑腻感，不溶于水。

密度:4.8-5.0g/cm3; 硬度（莫式），摩擦系数：0.05-0.091~1.5，相对介电常数3.3，二硫化钼不导电，为间接带隙，禁带宽度小（1.2eV）。

MoS2晶体属于六方晶系而且具有层状结构，MoS2作为一种半导体在电子器件、光学器件、力学器件都有应用，另外MoS2毒性较小，作为荧光标记在生物医学也有巨大潜力。

随着MoS2的层数不断减小，MoS2有间接带隙逐渐过度到直接带隙，禁带宽度也由1.29eV增大到1.74eV（174eV对应光为可见光的波段）。成为与多层MoS2性质不同的晶体。

一结构：

多层(块状)MoS2结构：

空间群：P63/mmc

单层MoS2的结构：

俯视图：类似于石墨烯的六角结构，但是原胞中的两个原子不同（而石墨烯中相同）

侧视图：由此可以看出所有原子并不是在同一个平面，而是有三个原子层构成MoS2晶体侧视结构

每个S原子与三个Mo原子成键，每个Mo原子与6个S原子成键，所以晶体中Mo：S=1:2

原胞：如图所示，虽然晶体是二维，但是原胞并不是。四个Mo原子处于平行四边形的四个角（较小内角为60度）。原胞内部有两个S原子，处于三个Mo原子（正三角形）的正上方和正下方。

Mo-Mo最近距离：0.312nm

Mo-S键：0.2411nm

Mo-Mo-Mo（最小）角：60度

S-Mo-S（最小）键角：46.21度

晶格点阵：

二维的简单六角结构，晶格常数a1=a2=a=0.312nm，夹角60度

倒格子空间：结构与晶格点阵相同，只是基矢不同

倒格失 长度：

夹角120度

布里渊区与高对称点：

二维MoS 2的晶格点阵与graphene 相同，但是性质并不相同，石墨烯是导体，没有带隙，而二维MoS 2为直接带隙的半导体（Eg=1.8eV ），因此在半导体应用领域有较大潜力。

衍射：

对于六方晶系，222

22

223sin

()44

H HK K L a c

λθ++=

+ 二维时c=∞，故222

2

23sin ()16H HK K a

λθ++= 但是每个原胞中有三个原子，所以还要考虑几何结构因子，

()

L 1

1

j

HKL j n

n

i i G r HK i i j j F f e

f e

φ•====∑∑

设S 原子的散射因子为s f ，Mo 原子为Mo f

12HKL G Hg Kg =+

S 原子位置：12

3

z a a r ze +=

+ （其中z e 垂直于12g g 、）

12122()()()

3

3

1

22HKL j a a i

n

i Hg Kg H K i G r HK i Mo s Mo s j F f e

f f e

f f e

π++⋅

+•===+=+∑

e HK HK I=I F F *

⋅

一般原子的散射因子与x 射线能量有关，通过查表可以得出具体数值，然后结合

222

2

2

3sin ()16H HK K a λθ++=

可以得出峰的位置，同样可以分析出哪些峰会由于原胞内的相干叠加而消退。

另外需要说明的是对二维材料的XRD 实际为晶体多层时入射x 射线平行于层面的情况，并不直接对二维材料进行x 射线衍射实验。而是用光学显微镜、SEM 、Raman Spectra 等。

二. 结合方式：

多层MoS 2晶体中，层内Mo 与S 原子以共价键结合，层与层之间由较弱的范德华力结合，这与石墨的结构类似，所以多层MoS 2也用于润滑剂，特别是作为高温固体润滑剂。

单层MoS 2晶体中，只有共价键。由原胞结构可以看出，每个原胞中有2个S 原子，1个Mo 原子，6个Mo-S 键。

根据电负性（鲍林规则）：Mo ：1.8 S ：2.5 ，Mo-S 键为极性共价键，且Mo 带部分正电荷，S 带部分负电荷。然而由于原胞中的对称性可知，极性大部分相互抵消(如图)，所以整体上是无极性或者极性比较弱的。

Mo 原子基态电子组态：[Kr] 4d5 5s1 S 原子基态的电子组态：[Ne] 3s2 3p4

由于一个Mo 有6个共价键，一个S 有三个共价键，所以Mo 最外层4d5 5s1

6个电子全部参与共价键，而S 最外层6个电子只有三个参与共价键另外三个不参与共价键，三个中的两个电子形成孤对电子（类似于H 2O 中O 原子最外层的一对孤对电子）并属于S 原子，以此达到最外层8电子的稳定状态，另一个电子则相对比较自由，因此一个原胞中有两个比较自由的电子。同时Mo 原子也达到最外层12个电子的稳定结构（填满最外层的4d 与5s ）。

共价结合的化合物的结合可由密度泛函理论求解，过程相对复杂。

三.振动

二维MoS2每个原胞有三个原子，虽然晶格点阵是二维但是原胞是三维的，振动可也可以再垂直于面的方向，所以二维MoS2的振动模式的色散曲线有9支，光学支有6支，声学支有3支。每支有N（N为原胞个数）个振动模式。

由于为二维晶体，声学支中本来的两支横声学支（TA）仅剩下一支，另一支成为ZA，为二维平面外的声学振动模式（out of plane）

中间部240cm-1到290cm-1段为禁带

最上方六条为光学支，其中A1与E’为横光学支（TO）

单层MoS2晶体的色散曲线与声子态密度

一般通过拉曼谱可以测量长横光学支声子与电磁波的耦合，从而对分子进行标定，所以通常将拉曼谱称为分子指纹。

图中384.7cm-1与405.0cm-1两个峰对应的是光学支长极限下的光学声子（对应处于电磁波的红外波段），另外一个峰是由衬底引起的。

a、下图中b图分别为两个方向时反射率与入射电磁波的波数的关系

可以看出在300-500cm-1之间的红外光有强烈的相互作用