缺陷对二维过渡金属硫属化物非线性光学性能影响的理论研究

作     者：鲍啸虎 

作者单位：浙江师范大学 

学位级别：硕士

导师姓名：蓝尤钊

授予年度：2021年

学科分类：08[工学] 080501[工学-材料物理与化学] 0805[工学-材料科学与工程（可授工学、理学学位）] 

主      题：过渡金属硫属化物 双光子吸收 二次谐波 三次谐波 缺陷 

摘      要：非线性光学是非线性物理学和现代光学的分支学科,主要研究激光与各种物质相互作用所产生的各种非线性效应,非线性光学的发展,很大程度上取决于非线性材料的发展。目前,过渡金属硫属化物(transition metal dichalcogenides,TMDCs)因其优异的非线性光学性能,引起人们的广泛关注。TMDCs与石墨烯类似,具有层状结构。块体TMDCs的带隙为间接带隙,逐渐降低层数到单层,会转变为直接带隙,目前的研究多集中在理想的二维TMDCs上。在制备二维TMDCs时,不可避免地会引入缺陷,且缺陷的引入会极大地改变材料的能带结构,进而影响材料的非线性光学性能。本文通过理论计算,研究了缺陷对单层TMDCs的非线性光学性能的影响,同时还研究了激子效应对理想单层TMDCs的非线性光学性能的影响:1.缺陷对单层TMDCs双光子吸收(two photon absorption,TPA)的影响。我们构建了5×5的超晶胞结构,采用基于Perdew-Burke-Ernzerhof(PBE)泛函的广义梯度近似(generalized gradient approximation,GGA)结合赝势平面波法对构建的结构进行了优化,在此基础上计算了能带和光学矩阵元,设置了相应的真空层以避免层间相互作用的影响。我们用基于二阶微扰理论的公式来计算TPA系数,并结合能带结构分析了各类点缺陷对单层TMDCs双光子吸收性能的影响。缺陷引入了新的能级,产生了新的双光子吸收峰,同时增强了TMDCs的双光子吸收,使得双光子吸收峰红移,且使得原本TPA强度为零的zz方向也具有了一定的TPA系数。2.单层MoS和WS的双光子吸收的激子效应。我们在完全从头算Bethe-Salpeter方程(BSE)本征态的基础上,提出了通过多体第一性原理计算TPA的理论策略。我们在理想二维单层过渡金属硫属化物(MoS和WS)中检验该方法,计算得到的TPA谱与部分实验和理论结果相符。通过追踪TPA系数的态求和(SOS)过程,我们还讨论了TPA的物理源。通过对SOS过程的跟踪,我们发现光谱起始处的前两个BSE-TPA峰主要来源于K点附近价带和导带之间的跃迁。在输入光子能量较高时BSE-TPA的两个峰主要来源于Γ点附近的k点跃迁。3.缺陷对TMDCs的二次谐波(second harmonic generation,SHG)系数的影响。我们基于第一性原理密度泛函计算研究了含有不同本征点缺陷TMDCs的SHG,并结合DOS图与能带结构,分析了各缺陷峰的物理源,各缺陷能级会降低电子的带间运动对极化协调的影响,产生新的跃迁通道,并在SHG谱上产生新的特征峰。V缺陷,V缺陷与V缺陷所产生的缺陷能级的位置比较相似,所以他们所产生的缺陷峰的位置及大小都比较接近。X2缺陷能产生6条缺陷能级,且缺陷能级之间有着较大的差值,因此能产生多个缺陷能级。4.缺陷对TMDCs的三次谐波(third harmonic generation,THG)系数的影响。我们基于第一性原理密度泛函计算研究了含有不同本征点缺陷的THG。结果表明,与对SHG影响不同的是各缺陷都会明显增大TMDCs的THG系数。各缺陷能级能够显著降低电子的带间运动对极化协调的影响,使得MoSe,Mo Te,WS中较多较宽的特征峰转变为与无缺陷的MoS相似的单个尖峰。