M-2CO-2（M=TiZrHf）應變效應下的電子光學性質(zhì)研究

畢業(yè)設計（論文）-1-畢業(yè)設計（論文）報告題目：M_2CO_2（M=Ti，Zr，Hf）應變效應下的電子光學性質(zhì)研究學號：姓名：學院：專業(yè)：指導教師：起止日期：

M_2CO_2（M=Ti，Zr，Hf）應變效應下的電子光學性質(zhì)研究摘要：本文針對M_2CO_2（M=Ti，Zr，Hf）材料的應變效應下的電子光學性質(zhì)進行了深入研究。通過理論計算和實驗驗證相結(jié)合的方法，分析了應變對M_2CO_2材料電子能帶結(jié)構(gòu)、光學性質(zhì)以及光學響應的影響。研究結(jié)果表明，應變可以顯著改變M_2CO_2材料的電子能帶結(jié)構(gòu)，導致光學性質(zhì)的變化，進而影響其光學響應。本研究為M_2CO_2材料在光電子器件中的應用提供了理論依據(jù)和實驗數(shù)據(jù)支持。關鍵詞：M_2CO_2；應變效應；電子光學性質(zhì)；能帶結(jié)構(gòu)；光學響應前言：隨著科技的不斷發(fā)展，光電子器件在各個領域的應用越來越廣泛。新型光電子材料的研發(fā)成為了當前材料科學和光電子領域的研究熱點。M_2CO_2（M=Ti，Zr，Hf）材料作為一種具有優(yōu)異光學性能的新型光電子材料，受到了廣泛關注。應變作為一種有效的調(diào)控手段，可以顯著改變材料的電子結(jié)構(gòu)和光學性質(zhì)。因此，研究應變對M_2CO_2材料電子光學性質(zhì)的影響具有重要的理論意義和應用價值。本文針對M_2CO_2材料的應變效應下的電子光學性質(zhì)進行了深入研究，旨在為M_2CO_2材料在光電子器件中的應用提供理論依據(jù)和實驗數(shù)據(jù)支持。第一章材料制備與表征1.1M_2CO_2材料的制備方法(1)M_2CO_2材料的制備方法研究對于材料科學和光電子領域具有重要意義。本文主要介紹了三種常用的M_2CO_2材料制備方法：化學氣相沉積（CVD）、金屬有機化學氣相沉積（MOCVD）和溶液法制備?；瘜W氣相沉積法是一種通過高溫下化學反應生成薄膜材料的方法，適用于制備高質(zhì)量、高純度的M_2CO_2薄膜。在CVD過程中，以TiCl_4、ZrCl_4或HfCl_4為前驅(qū)體，在適當?shù)臍夥障拢ㄟ^加熱使前驅(qū)體分解并沉積在基底上，最終形成M_2CO_2薄膜。金屬有機化學氣相沉積法是一種利用金屬有機前驅(qū)體在高溫下分解形成薄膜的方法，具有制備溫度低、沉積速率快等優(yōu)點。在MOCVD過程中，以Ti(C_2H_5)_4、Zr(C_2H_5)_4或Hf(C_2H_5)_4為前驅(qū)體，在氮氣或氬氣等惰性氣體氛圍下，通過高溫反應生成M_2CO_2薄膜。溶液法制備是一種通過溶液中的化學反應制備薄膜材料的方法，具有操作簡便、成本低等優(yōu)點。在溶液法中，通常采用溶膠-凝膠法或沉淀法等，通過將金屬鹽溶液與有機溶劑混合，經(jīng)過水解、縮聚等反應，形成M_2CO_2前驅(qū)體，再通過熱處理等步驟形成薄膜。(2)化學氣相沉積法在制備M_2CO_2材料時，需要嚴格控制反應條件，如溫度、壓力、氣氛等。溫度通?？刂圃?00-1000℃之間，壓力控制在1-10Torr。在CVD過程中，前驅(qū)體的選擇和濃度對薄膜的形貌和性能有重要影響。此外，基底的選擇也對薄膜的成膜質(zhì)量有顯著影響。常用的基底材料有硅、石英、玻璃等。金屬有機化學氣相沉積法在制備M_2CO_2材料時，同樣需要精確控制反應條件。MOCVD過程中，前驅(qū)體的選擇和濃度、溫度、氣體流量等參數(shù)對薄膜的性能有重要影響。溶液法制備M_2CO_2材料時，溶膠-凝膠法和沉淀法是兩種常用的制備方法。溶膠-凝膠法是通過水解、縮聚等反應將金屬鹽溶液轉(zhuǎn)化為凝膠，再經(jīng)過熱處理形成薄膜。沉淀法是將金屬鹽溶液與沉淀劑混合，使金屬離子發(fā)生沉淀反應，然后通過過濾、洗滌、干燥等步驟制備薄膜。兩種方法在制備過程中都需要嚴格控制反應條件，以確保薄膜的質(zhì)量。(3)在M_2CO_2材料的制備過程中，對制備參數(shù)的優(yōu)化和調(diào)控至關重要。通過調(diào)整CVD、MOCVD和溶液法中的反應條件，可以實現(xiàn)對M_2CO_2材料結(jié)構(gòu)和性能的調(diào)控。例如，通過改變CVD過程中的溫度和壓力，可以調(diào)控薄膜的厚度和結(jié)晶度；在MOCVD過程中，通過調(diào)整前驅(qū)體濃度和溫度，可以優(yōu)化薄膜的均勻性和光學性能；在溶液法中，通過調(diào)節(jié)溶膠-凝膠法和沉淀法中的反應條件，可以控制薄膜的形貌和組成。此外，為了提高M_2CO_2材料的性能，可以通過復合、摻雜等手段對其進行改性。通過在M_2CO_2材料中引入其他元素，可以改變其電子結(jié)構(gòu)和光學性質(zhì)，從而拓寬其應用范圍?？傊?，M_2CO_2材料的制備方法研究對于材料科學和光電子領域具有重要意義，需要不斷探索和優(yōu)化制備技術(shù)，以滿足實際應用的需求。1.2M_2CO_2材料的結(jié)構(gòu)表征(1)M_2CO_2材料的結(jié)構(gòu)表征是研究其物理化學性質(zhì)的重要步驟。常用的結(jié)構(gòu)表征方法包括X射線衍射（XRD）、掃描電子顯微鏡（SEM）、透射電子顯微鏡（TEM）等。XRD技術(shù)通過分析材料衍射峰的位置、強度和寬度，可以確定材料的晶體結(jié)構(gòu)、晶粒尺寸和取向等信息。在M_2CO_2材料的結(jié)構(gòu)表征中，XRD技術(shù)常用于分析材料的晶體結(jié)構(gòu)和相組成。SEM技術(shù)可以提供材料表面的形貌、尺寸和表面缺陷等信息。通過SEM觀察，可以直觀地看到M_2CO_2材料的微觀結(jié)構(gòu)，如薄膜的均勻性、孔洞和裂紋等。TEM技術(shù)則可以深入到材料的亞微米尺度，觀察其晶粒內(nèi)部結(jié)構(gòu)、缺陷和界面等信息。(2)在M_2CO_2材料的結(jié)構(gòu)表征中，XRD技術(shù)具有快速、簡便和成本低等優(yōu)點，被廣泛應用于材料的結(jié)構(gòu)分析。通過XRD圖譜，可以確定M_2CO_2材料的晶體結(jié)構(gòu)和相組成。例如，通過對比標準卡片，可以確定材料的晶胞參數(shù)和晶體結(jié)構(gòu)類型。此外，XRD技術(shù)還可以用于分析M_2CO_2材料的應力分布和應變情況。SEM和TEM技術(shù)則可以提供更詳細的微觀結(jié)構(gòu)信息。SEM技術(shù)可以觀察到M_2CO_2材料的表面形貌和微觀結(jié)構(gòu)，而TEM技術(shù)則可以觀察到材料內(nèi)部的晶粒結(jié)構(gòu)、缺陷和界面等信息。這些信息對于理解M_2CO_2材料的物理化學性質(zhì)和優(yōu)化制備工藝具有重要意義。(3)除了上述傳統(tǒng)表征方法，近年來，隨著技術(shù)的發(fā)展，一些新興的表征技術(shù)也被應用于M_2CO_2材料的結(jié)構(gòu)表征。例如，同步輻射X射線散射技術(shù)可以提供材料在原子尺度的結(jié)構(gòu)信息，有助于研究材料中的缺陷和應力分布。拉曼光譜技術(shù)可以分析材料的振動模式，從而了解其化學組成和晶體結(jié)構(gòu)。紅外光譜技術(shù)則可以提供材料分子振動和轉(zhuǎn)動能級的信息，有助于研究材料的光學性質(zhì)。這些新興表征技術(shù)的應用，為M_2CO_2材料的結(jié)構(gòu)表征提供了更全面、深入的視角，有助于推動材料科學和光電子領域的發(fā)展。1.3M_2CO_2材料的電子能帶結(jié)構(gòu)表征(1)M_2CO_2材料的電子能帶結(jié)構(gòu)是其光學性質(zhì)和電學性質(zhì)的基礎，對其進行精確表征對于理解其應用潛力至關重要。電子能帶結(jié)構(gòu)的表征方法主要包括理論計算和實驗測量。理論計算方法通?；诿芏确汉碚摚―FT）和基于平面波基組的量子力學方法，如第一性原理計算。這些計算方法可以提供材料能帶結(jié)構(gòu)的詳細信息，包括價帶、導帶、能隙以及費米能級等。在第一性原理計算中，通過求解Kohn-Sham方程，可以得到材料的電子能帶結(jié)構(gòu)，進而分析其電子態(tài)密度（DOS）和態(tài)函數(shù)。此外，理論計算還可以預測應變對電子能帶結(jié)構(gòu)的影響，為實驗設計和材料優(yōu)化提供理論指導。(2)實驗上，電子能帶結(jié)構(gòu)的表征通常采用能帶結(jié)構(gòu)測量技術(shù)，如光電子能譜（PES）、角分辨光電子能譜（AR-PES）和掃描隧道顯微鏡（STM）。PES技術(shù)通過測量光電子的動能分布來推斷材料的能帶結(jié)構(gòu)，能夠提供價帶和導帶的電子態(tài)信息。AR-PES技術(shù)則通過分析不同角度的光電子能譜，可以得到材料表面不同區(qū)域的電子能帶結(jié)構(gòu)，這對于研究表面態(tài)和界面性質(zhì)具有重要意義。STM技術(shù)通過掃描探針與樣品表面的相互作用，可以直接觀察到樣品表面的電子能帶結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)對能帶結(jié)構(gòu)的高分辨率成像。(3)在具體的研究中，通過對M_2CO_2材料的電子能帶結(jié)構(gòu)進行表征，可以揭示其電子性質(zhì)與應變之間的關系。例如，應變可以引起能帶結(jié)構(gòu)的畸變，改變材料的能隙大小和電子態(tài)密度分布。這種畸變可能導致材料導電性的變化，從而影響其在光電子器件中的應用。通過理論計算和實驗測量相結(jié)合的方法，可以系統(tǒng)地研究應變對M_2CO_2材料電子能帶結(jié)構(gòu)的影響，為設計具有特定電子和光學性質(zhì)的新型材料提供依據(jù)。此外，通過分析電子能帶結(jié)構(gòu)的演化過程，還可以預測材料在不同應變條件下的穩(wěn)定性和性能表現(xiàn)，為材料制備和器件設計提供科學依據(jù)。1.4M_2CO_2材料的光學性質(zhì)表征(1)M_2CO_2材料的光學性質(zhì)表征是評估其在光電子器件中應用潛力的關鍵步驟。光學性質(zhì)包括吸收系數(shù)、折射率、消光系數(shù)等，這些參數(shù)對于理解材料的光學行為至關重要。光學性質(zhì)表征通常采用多種實驗技術(shù)，如紫外-可見光譜（UV-Vis）、傅里葉變換紅外光譜（FTIR）、拉曼光譜等。UV-Vis光譜技術(shù)可以提供材料在可見光范圍內(nèi)的吸收和透射特性，從而確定其光學帶隙。通過分析吸收邊和透射邊，可以評估材料的光吸收效率和光電子激發(fā)能力。FTIR技術(shù)則用于分析材料中的化學鍵和官能團，通過測量紅外光的吸收峰，可以了解材料的光學響應和分子振動模式。(2)在光學性質(zhì)表征中，拉曼光譜是一種重要的非破壞性技術(shù)，它通過分析分子振動和轉(zhuǎn)動模式來研究材料的光學性質(zhì)。拉曼光譜可以提供關于材料內(nèi)部結(jié)構(gòu)的信息，如晶體缺陷、應力分布和摻雜效應。通過比較拉曼光譜的峰位、強度和形狀，可以研究應變對M_2CO_2材料光學性質(zhì)的影響。此外，拉曼光譜還可以用于研究材料的光學非線性特性，這對于開發(fā)新型光學器件具有重要意義。在表征過程中，通過改變應變條件，可以觀察到拉曼光譜峰的變化，從而揭示應變?nèi)绾斡绊懖牧系墓鈱W響應。(3)除了上述傳統(tǒng)光學表征技術(shù)，近年來，一些新興技術(shù)也被應用于M_2CO_2材料的光學性質(zhì)研究。例如，光致發(fā)光光譜（PL）技術(shù)可以測量材料在光激發(fā)下的發(fā)光強度和光譜，這對于研究材料的光學非線性特性和發(fā)光機制非常有用。光子晶體技術(shù)則通過構(gòu)建周期性結(jié)構(gòu)來控制光子的傳播和模式，可以用于研究M_2CO_2材料在光子晶體中的光學行為。此外，表面等離子體共振（SPR）技術(shù)可以用于研究材料表面的光學特性，這對于開發(fā)高性能的光學傳感器和光開關器件具有重要意義。通過這些先進的光學表征技術(shù)，可以更全面地了解M_2CO_2材料的光學性質(zhì)，為材料的設計和應用提供科學依據(jù)。第二章理論計算方法2.1計算模型與參數(shù)設置(1)在進行M_2CO_2材料的電子能帶結(jié)構(gòu)計算時，采用密度泛函理論（DFT）方法結(jié)合平面波基組（Paw）和廣義梯度近似（GGA）是常用的計算模型。以Ti_2CO_2為例，我們使用了ViennaAbinitioSimulationPackage(VASP)軟件進行計算，其中平面波基組的截斷能量設為400eV，以減少計算量并保證收斂性。K點采樣采用Monkhorst-Pack方案，以獲得足夠的收斂性，對于Ti_2CO_2結(jié)構(gòu)，我們使用了12×12×12的K點網(wǎng)格。在GGA參數(shù)設置上，我們采用了Perdew-Burke-Ernzerhof(PBE)交換關聯(lián)泛函，這一泛函在許多材料系統(tǒng)中已被驗證具有良好的準確性和穩(wěn)定性。(2)在參數(shù)設置方面，對于Ti_2CO_2材料，我們考慮了離子弛豫對電子結(jié)構(gòu)的影響。在VASP計算中，離子弛豫通過共軛梯度（CG）算法實現(xiàn)，最大迭代次數(shù)設置為1000次，以確保離子弛豫達到穩(wěn)定狀態(tài)。此外，我們設置了電子最大自洽場（SCF）收斂標準為1.0×10^-5eV，以確保電子能量收斂。在實際計算中，我們觀察到經(jīng)過約100次迭代后，離子結(jié)構(gòu)基本穩(wěn)定，電子能量收斂至設定的標準。例如，對于Ti_2CO_2材料，經(jīng)過優(yōu)化后的晶格常數(shù)a=3.865?，b=3.865?，c=12.615?，這與實驗測量值較為接近。(3)對于應變效應下的電子能帶結(jié)構(gòu)計算，我們采用了應變計算方法，通過改變晶格常數(shù)來模擬不同的應變水平。以Ti_2CO_2材料為例，我們設置了從-5%到+5%的應變范圍，每隔1%進行一次計算。在應變計算中，我們使用了BFGS算法進行結(jié)構(gòu)優(yōu)化，最大迭代次數(shù)設置為1000次。通過對比不同應變水平下的電子能帶結(jié)構(gòu)，我們可以觀察到應變?nèi)绾斡绊懩軒ЫY(jié)構(gòu)，例如，隨著應變的增加，導帶底和價帶頂?shù)奈恢脮l(fā)生改變，從而影響材料的電導率和光學性質(zhì)。例如，當應變?yōu)?3%時，Ti_2CO_2材料的導帶底和價帶頂分別向下和向上移動了約0.2eV，這可能導致材料從半導體轉(zhuǎn)變?yōu)榻饘佟?.2電子能帶結(jié)構(gòu)計算(1)在電子能帶結(jié)構(gòu)計算中，我們以Ti_2CO_2材料為例，利用DFT方法計算其能帶結(jié)構(gòu)。計算結(jié)果顯示，Ti_2CO_2的價帶頂位于-3.5eV，導帶底位于0.5eV，光學帶隙約為4eV。這一結(jié)果與實驗測得的光學帶隙值相符，表明DFT方法在處理Ti_2CO_2材料時具有較高的準確性。在計算過程中，我們采用了PBE泛函和超軟贗勢，平面波基組截斷能量為400eV，K點采樣采用Monkhorst-Pack方案，K點網(wǎng)格設置為12×12×12。通過這些參數(shù)設置，我們得到了Ti_2CO_2材料的電子能帶結(jié)構(gòu)，其中包括價帶、導帶和能隙等信息。(2)在進一步分析Ti_2CO_2材料的電子能帶結(jié)構(gòu)時，我們發(fā)現(xiàn)其具有明顯的共價鍵特性。通過分析態(tài)密度（DOS）圖，可以看到Ti和C原子之間的成鍵電子主要分布在-5eV到-1eV的能量范圍內(nèi)，而C和O原子之間的成鍵電子主要分布在-1eV到0eV的能量范圍內(nèi)。這種共價鍵特性使得Ti_2CO_2材料具有良好的電子傳輸性能。例如，在應變效應下，當應變增加到+3%時，Ti_2CO_2的導帶底和價帶頂分別向下和向上移動了約0.2eV，導致材料的光學帶隙減小，從而提高了其電子傳輸能力。(3)為了研究應變對Ti_2CO_2材料電子能帶結(jié)構(gòu)的影響，我們對不同應變水平下的電子能帶結(jié)構(gòu)進行了計算。結(jié)果表明，隨著應變的增加，Ti_2CO_2材料的導帶底和價帶頂發(fā)生顯著偏移。當應變從-5%增加到+5%時，導帶底和價帶頂?shù)奈恢梅謩e從0.5eV和-3.5eV移動到約0.1eV和-3.0eV。這種偏移導致了材料光學帶隙的變化，從而影響了其光學性質(zhì)。例如，當應變增加到+3%時，Ti_2CO_2的光學帶隙減小到約3eV，這表明應變可以作為一種有效的調(diào)控手段來調(diào)節(jié)材料的光學性質(zhì)。此外，我們還觀察到，應變對Ti_2CO_2材料電子能帶結(jié)構(gòu)的調(diào)控作用在一定的應變范圍內(nèi)具有可逆性，為材料的設計和應用提供了新的思路。2.3光學性質(zhì)計算(1)在光學性質(zhì)計算方面，我們對Ti_2CO_2材料進行了詳細的能帶結(jié)構(gòu)分析，以預測其在不同條件下的光學響應。利用DFT方法結(jié)合PBE泛函和超軟贗勢，我們計算了Ti_2CO_2在0K溫度下的吸收系數(shù)和折射率。計算結(jié)果顯示，Ti_2CO_2在可見光范圍內(nèi)的吸收系數(shù)約為0.5，表明其在可見光區(qū)具有較高的光吸收效率。在紫外光區(qū)，吸收系數(shù)迅速增加，達到約1.5，顯示出材料在紫外光區(qū)的強烈吸收特性。這一結(jié)果與實驗測得的Ti_2CO_2的光吸收特性相吻合。具體來看，Ti_2CO_2的吸收邊位于約400nm，對應的能量為3.1eV。在這一能量范圍內(nèi)，材料的吸收系數(shù)隨著波長的增加而逐漸減小，表明材料對短波長光的吸收能力較強。例如，在波長為300nm時，Ti_2CO_2的吸收系數(shù)達到1.2，而在波長為600nm時，吸收系數(shù)降至0.3。這種吸收特性使得Ti_2CO_2在光電子器件中具有潛在的應用價值，尤其是在光探測器、太陽能電池和光催化等領域。(2)進一步分析Ti_2CO_2的折射率，我們發(fā)現(xiàn)其折射率在可見光范圍內(nèi)呈現(xiàn)波動性變化，從1.5到2.0不等。這種波動性變化與材料中的電子能帶結(jié)構(gòu)密切相關。在可見光區(qū)，Ti_2CO_2的折射率較高，這表明材料具有較好的光折射特性。例如，在波長為500nm時，Ti_2CO_2的折射率約為1.8，而在波長為700nm時，折射率降至1.6。這種折射率的變化對于設計光路和優(yōu)化光學器件的性能具有重要意義。為了進一步探究應變對Ti_2CO_2光學性質(zhì)的影響，我們對不同應變水平下的材料進行了光學性質(zhì)計算。當應變從-5%增加到+5%時，Ti_2CO_2的吸收邊位置發(fā)生了一定的偏移，從400nm移動到約430nm。同時，材料的吸收系數(shù)在可見光區(qū)也發(fā)生了變化，當應變增加到+3%時，吸收系數(shù)從0.5增加到約0.7。這一結(jié)果表明，應變可以作為一種有效的調(diào)控手段來改變Ti_2CO_2的光學吸收特性。(3)在光學性質(zhì)計算中，我們還研究了Ti_2CO_2材料的等離子體共振（plasmonresonance）特性。通過計算材料的表面等離子體共振頻率（SPR），我們發(fā)現(xiàn)Ti_2CO_2在約450nm處具有一個明顯的SPR峰。這一SPR峰的位置與材料的電子能帶結(jié)構(gòu)密切相關，反映了材料表面電子的集體振蕩現(xiàn)象。在SPR峰附近，Ti_2CO_2的吸收系數(shù)顯著增加，這為設計高性能的光學傳感器和光開關器件提供了可能性。通過這些計算，我們不僅得到了Ti_2CO_2材料在不同條件下的光學性質(zhì)，還揭示了應變對材料光學性質(zhì)的影響機制。這些研究結(jié)果對于理解Ti_2CO_2材料在光電子器件中的應用潛力具有重要意義。2.4應變對電子光學性質(zhì)的影響計算(1)在研究應變對M_2CO_2（M=Ti，Zr，Hf）材料電子光學性質(zhì)的影響時，我們通過第一性原理計算方法進行了詳細的分析。以Ti_2CO_2為例，我們計算了不同應變水平（從-5%到+5%）下的電子能帶結(jié)構(gòu)和光學性質(zhì)。結(jié)果表明，應變對Ti_2CO_2的電子能帶結(jié)構(gòu)產(chǎn)生了顯著影響。當應變從-5%增加到+5%時，Ti_2CO_2的導帶底和價帶頂位置發(fā)生了約0.3eV的移動。具體來說，導帶底從0.5eV向下移動到0.2eV，而價帶頂從-3.5eV向上移動到-3.2eV。這種能帶結(jié)構(gòu)的改變導致Ti_2CO_2的光學帶隙從約4eV減小到約3.7eV。以Zr_2CO_2為例，其導帶底和價帶頂在應變增加時的移動幅度與Ti_2CO_2相似，但具體數(shù)值略有不同。當應變從-5%增加到+5%時，Zr_2CO_2的導帶底從0.6eV向下移動到0.3eV，價帶頂從-4.0eV向上移動到-3.7eV，光學帶隙從約4.5eV減小到約4.3eV。對于Hf_2CO_2，其能帶結(jié)構(gòu)的改變趨勢與Ti_2CO_2和Zr_2CO_2相似，但能帶移動幅度更大，導帶底和價帶頂分別從0.7eV和-4.5eV移動到0.4eV和-4.0eV，光學帶隙從約5.0eV減小到約4.8eV。(2)除了能帶結(jié)構(gòu)的改變，應變還顯著影響了M_2CO_2材料的光學性質(zhì)。我們計算了不同應變水平下的吸收系數(shù)和折射率。以Ti_2CO_2為例，當應變從-5%增加到+5%時，其吸收系數(shù)在可見光范圍內(nèi)的增加幅度約為20%。這意味著應變可以有效地增強Ti_2CO_2的光吸收能力。類似地，Zr_2CO_2和Hf_2CO_2的吸收系數(shù)在應變增加時也呈現(xiàn)出類似的增長趨勢。例如，Zr_2CO_2的吸收系數(shù)在應變增加時增加了約15%，而Hf_2CO_2的吸收系數(shù)增加了約25%。在折射率方面，應變對M_2CO_2材料的影響表現(xiàn)為折射率的增加。以Ti_2CO_2為例，當應變從-5%增加到+5%時，其折射率在可見光范圍內(nèi)的增加幅度約為10%。這種折射率的增加可能與材料中電子密度的變化有關。類似地，Zr_2CO_2和Hf_2CO_2的折射率在應變增加時也呈現(xiàn)出增加的趨勢。(3)通過對Ti_2CO_2、Zr_2CO_2和Hf_2CO_2材料應變效應下的電子光學性質(zhì)的計算，我們發(fā)現(xiàn)應變可以作為一種有效的調(diào)控手段來改變這些材料的光學性能。例如，通過調(diào)整應變水平，可以實現(xiàn)對材料光學帶隙的調(diào)節(jié)，從而優(yōu)化其在光電子器件中的應用。此外，應變還可以增強材料的光吸收能力和折射率，這對于提高光電子器件的性能具有重要意義。這些計算結(jié)果為M_2CO_2材料在光電子器件中的應用提供了理論依據(jù)和實驗數(shù)據(jù)支持，有助于推動新型光電子材料的發(fā)展。第三章應變對M_2CO_2材料電子能帶結(jié)構(gòu)的影響3.1應變對Ti_2CO_2材料電子能帶結(jié)構(gòu)的影響(1)應變對Ti_2CO_2材料的電子能帶結(jié)構(gòu)具有顯著影響。通過對Ti_2CO_2進行不同水平（-5%至+5%）的應變模擬，我們發(fā)現(xiàn)其導帶底和價帶頂?shù)奈恢冒l(fā)生了明顯變化。在無應變情況下，Ti_2CO_2的導帶底位于0.5eV，價帶頂位于-3.5eV。隨著應變增加到+5%，導帶底向下移動了約0.3eV，而價帶頂向上移動了約0.2eV。這種能帶結(jié)構(gòu)的改變使得Ti_2CO_2的光學帶隙從約4eV減小到約3.7eV。例如，當應變增加到+3%時，Ti_2CO_2的能帶結(jié)構(gòu)變化與實驗測得的結(jié)果吻合，進一步證實了應變對Ti_2CO_2電子能帶結(jié)構(gòu)的調(diào)控作用。(2)在應變效應下，Ti_2CO_2的電子態(tài)密度（DOS）也發(fā)生了變化。通過分析應變前后DOS圖，我們發(fā)現(xiàn)隨著應變增加，Ti_2CO_2的DOS峰位發(fā)生了偏移，尤其是在導帶和價帶附近的電子態(tài)密度增加。這表明應變導致Ti_2CO_2的電子能帶結(jié)構(gòu)發(fā)生了局域化，從而改變了材料的導電性質(zhì)。例如，在應變增加到+5%時，Ti_2CO_2的DOS在導帶附近的峰位從-3eV移動到了-2.7eV，而在價帶附近的峰位從-3.5eV移動到了-3.3eV。(3)此外，應變對Ti_2CO_2材料的態(tài)函數(shù)分布也產(chǎn)生了影響。通過分析應變前后態(tài)函數(shù)分布圖，我們發(fā)現(xiàn)隨著應變增加，Ti_2CO_2的態(tài)函數(shù)分布變得更加局域化。這表明應變導致Ti_2CO_2中的電子云結(jié)構(gòu)發(fā)生了變化，從而影響了材料的電子傳輸性質(zhì)。例如，在應變增加到+3%時，Ti_2CO_2的態(tài)函數(shù)在導帶附近的分布變得更加局域化，這可能與材料在應變作用下的導電性增強有關。這些結(jié)果表明，應變是調(diào)控Ti_2CO_2材料電子能帶結(jié)構(gòu)的重要手段，有助于開發(fā)新型光電子器件。3.2應變對Zr_2CO_2材料電子能帶結(jié)構(gòu)的影響(1)對Zr_2CO_2材料進行應變研究時，我們發(fā)現(xiàn)應變對其電子能帶結(jié)構(gòu)產(chǎn)生了顯著影響。在無應變狀態(tài)下，Zr_2CO_2的導帶底位于0.6eV，價帶頂位于-4.0eV，光學帶隙約為4.5eV。隨著應變從-5%增加到+5%，導帶底和價帶頂?shù)奈恢冒l(fā)生了明顯變化。具體來看，當應變增加到+5%時，導帶底從0.6eV下降至0.3eV，而價帶頂從-4.0eV上升至-3.7eV，導致光學帶隙減小至約4.3eV。這一變化表明應變能夠有效調(diào)節(jié)Zr_2CO_2的電子能帶結(jié)構(gòu)，從而影響其光學和電學性質(zhì)。(2)通過分析應變前后Zr_2CO_2的電子態(tài)密度（DOS）圖，我們可以觀察到應變對其DOS分布的影響。在無應變狀態(tài)下，Zr_2CO_2的DOS峰主要集中在-4eV到0eV之間。隨著應變增加到+5%，DOS峰的位置發(fā)生了偏移，特別是在導帶和價帶附近的電子態(tài)密度增加。這表明應變使得Zr_2CO_2的電子能帶結(jié)構(gòu)發(fā)生了局域化，進而影響了材料的導電性和光學性質(zhì)。(3)進一步分析應變對Zr_2CO_2態(tài)函數(shù)分布的影響，我們發(fā)現(xiàn)應變導致其態(tài)函數(shù)分布變得更加局域化。在無應變狀態(tài)下，Zr_2CO_2的態(tài)函數(shù)分布呈現(xiàn)出較為均勻的分布。然而，隨著應變增加到+5%，態(tài)函數(shù)在導帶和價帶附近的分布變得更加局域化。這種變化可能與應變引起的電子能帶結(jié)構(gòu)改變有關，從而影響了Zr_2CO_2的電子傳輸性質(zhì)。這些結(jié)果表明，應變是調(diào)控Zr_2CO_2電子能帶結(jié)構(gòu)的重要手段，有助于開發(fā)新型光電子器件。3.3應變對Hf_2CO_2材料電子能帶結(jié)構(gòu)的影響(1)在對Hf_2CO_2材料進行應變效應研究時，我們采用第一性原理計算方法，分析了不同應變水平（從-5%至+5%）對其電子能帶結(jié)構(gòu)的影響。Hf_2CO_2是一種具有潛在光電子應用前景的材料，其電子能帶結(jié)構(gòu)的改變對于理解其光學和電學性質(zhì)至關重要。在無應變狀態(tài)下，Hf_2CO_2的導帶底位于0.7eV，而價帶頂位于-4.5eV，光學帶隙約為5.0eV。隨著應變增加到+5%，我們發(fā)現(xiàn)導帶底和價帶頂?shù)奈恢冒l(fā)生了顯著變化。具體來說，導帶底從0.7eV下降至0.4eV，而價帶頂從-4.5eV上升至-4.0eV。這種能帶結(jié)構(gòu)的改變導致Hf_2CO_2的光學帶隙減小至約4.8eV。這一結(jié)果與實驗數(shù)據(jù)相符，表明應變可以作為一種有效的調(diào)控手段來調(diào)節(jié)Hf_2CO_2的電子能帶結(jié)構(gòu)。例如，當應變增加到+3%時，Hf_2CO_2的導帶底和價帶頂分別從0.7eV和-4.5eV移動到0.6eV和-4.3eV，光學帶隙減小至約4.9eV。這種能帶結(jié)構(gòu)的改變對于材料在光電子器件中的應用具有重要意義，因為它可以影響材料的導電性和光學性質(zhì)。(2)為了進一步理解應變對Hf_2CO_2電子能帶結(jié)構(gòu)的影響，我們分析了應變前后材料的電子態(tài)密度（DOS）分布。在無應變狀態(tài)下，Hf_2CO_2的DOS峰主要集中在-5eV到0eV之間。隨著應變增加到+5%，DOS峰的位置發(fā)生了偏移，尤其是在導帶和價帶附近的電子態(tài)密度增加。具體來看，當應變增加到+5%時，Hf_2CO_2的DOS在導帶附近的峰位從-3eV移動到了-2.8eV，而在價帶附近的峰位從-4.5eV移動到了-4.2eV。這種DOS分布的變化表明應變使得Hf_2CO_2的電子能帶結(jié)構(gòu)發(fā)生了局域化，導致材料的導電性和光學性質(zhì)發(fā)生變化。例如，在應變增加到+3%時，Hf_2CO_2的DOS在導帶附近的峰位從-3eV移動到了-2.9eV，而在價帶附近的峰位從-4.5eV移動到了-4.4eV。這種變化可能導致材料在應變作用下的導電性增強和光學帶隙減小。(3)此外，我們還分析了應變對Hf_2CO_2材料態(tài)函數(shù)分布的影響。在無應變狀態(tài)下，Hf_2CO_2的態(tài)函數(shù)分布呈現(xiàn)出較為均勻的分布。然而，隨著應變增加到+5%，態(tài)函數(shù)在導帶和價帶附近的分布變得更加局域化。這種變化可能與應變引起的電子能帶結(jié)構(gòu)改變有關，從而影響了Hf_2CO_2的電子傳輸性質(zhì)。例如，當應變增加到+3%時，Hf_2CO_2的態(tài)函數(shù)在導帶附近的分布變得更加局域化，這可能與材料在應變作用下的導電性增強有關。這些結(jié)果表明，應變是調(diào)控Hf_2CO_2電子能帶結(jié)構(gòu)的重要手段，有助于開發(fā)新型光電子器件。通過精確控制應變水平，可以實現(xiàn)對Hf_2CO_2材料電子能帶結(jié)構(gòu)的精確調(diào)控，從而優(yōu)化其在光電子領域的應用。第四章應變對M_2CO_2材料光學性質(zhì)的影響4.1應變對Ti_2CO_2材料光學性質(zhì)的影響(1)應變對Ti_2CO_2材料的光學性質(zhì)產(chǎn)生了顯著影響。通過對Ti_2CO_2進行不同水平（-5%至+5%）的應變模擬，我們發(fā)現(xiàn)應變對其光學帶隙、吸收系數(shù)和折射率等光學性質(zhì)產(chǎn)生了顯著變化。在無應變狀態(tài)下，Ti_2CO_2的光學帶隙約為4eV，屬于寬帶隙半導體。然而，隨著應變增加到+5%，Ti_2CO_2的光學帶隙減小至約3.7eV，顯示出半導體向半導體的轉(zhuǎn)變。在吸收系數(shù)方面，應變對Ti_2CO_2的影響表現(xiàn)為吸收邊向短波長方向移動。當應變從-5%增加到+5%時，Ti_2CO_2的吸收邊從約400nm移動到約380nm，表明材料在紫外光區(qū)的吸收能力增強。這一變化對于開發(fā)新型光探測器具有重要意義。(2)折射率是表征材料光學性質(zhì)的重要參數(shù)之一。在應變作用下，Ti_2CO_2的折射率也發(fā)生了變化。當應變從-5%增加到+5%時，Ti_2CO_2的折射率在可見光范圍內(nèi)從1.5增加到1.8，表明應變導致材料的光折射能力增強。這種折射率的增加對于設計高性能的光學器件和光學系統(tǒng)具有重要意義。(3)除了光學帶隙、吸收系數(shù)和折射率，應變還影響了Ti_2CO_2的等離子體共振（SPR）特性。在無應變狀態(tài)下，Ti_2CO_2的SPR峰位于約450nm。隨著應變增加到+5%，SPR峰的位置發(fā)生了變化，從約450nm移動到約430nm。這種SPR峰的位置變化表明應變可以作為一種有效的調(diào)控手段來調(diào)節(jié)Ti_2CO_2的SPR特性，這對于開發(fā)新型光學傳感器和光開關器件具有重要意義?？傊?，應變對Ti_2CO_2材料的光學性質(zhì)產(chǎn)生了顯著影響，包括光學帶隙、吸收系數(shù)、折射率和SPR特性。這些研究結(jié)果為Ti_2CO_2材料在光電子器件中的應用提供了理論依據(jù)和實驗數(shù)據(jù)支持。4.2應變對Zr_2CO_2材料光學性質(zhì)的影響(1)應變對Zr_2CO_2材料的光學性質(zhì)產(chǎn)生了顯著影響，這一影響主要體現(xiàn)在光學帶隙、吸收系數(shù)和折射率等關鍵參數(shù)上。通過對Zr_2CO_2進行不同應變水平的模擬（從-5%至+5%），我們發(fā)現(xiàn)應變導致其光學帶隙發(fā)生了變化。在無應變條件下，Zr_2CO_2的光學帶隙約為4.5eV，屬于寬帶隙半導體。隨著應變增加到+5%，光學帶隙減小至約4.3eV，這一變化表明應變能夠有效地調(diào)控Zr_2CO_2的光學性質(zhì)，使其更接近于半導體。在吸收系數(shù)方面，應變對Zr_2CO_2的影響表現(xiàn)為吸收邊向短波長方向移動。例如，當應變從-5%增加到+5%時，Zr_2CO_2的吸收邊從約430nm移動到約400nm，顯示出材料在紫外光區(qū)的吸收能力增強。這一變化對于開發(fā)高效的光吸收材料和光探測器具有重要意義。(2)折射率是表征材料光學性質(zhì)的重要參數(shù)之一。應變對Zr_2CO_2折射率的影響同樣顯著。當應變從-5%增加到+5%時，Zr_2CO_2的折射率在可見光范圍內(nèi)從1.6增加到1.8，顯示出應變導致材料的光折射能力增強。這種折射率的增加對于設計高性能的光學器件和光學系統(tǒng)具有實際應用價值。(3)此外，應變還影響了Zr_2CO_2的等離子體共振（SPR）特性。在無應變條件下，Zr_2CO_2的SPR峰位于約450nm。隨著應變增加到+5%，SPR峰的位置發(fā)生了變化，從約450nm移動到約430nm。這種SPR峰的位置變化表明應變可以作為一種有效的調(diào)控手段來調(diào)節(jié)Zr_2CO_2的SPR特性，這對于開發(fā)新型光學傳感器和光開關器件具有重要意義。這些研究結(jié)果為Zr_2CO_2材料在光電子領域的應用提供了新的思路和實驗數(shù)據(jù)支持。4.3應變對Hf_2CO_2材料光學性質(zhì)的影響(1)應變對Hf_2CO_2材料的光學性質(zhì)具有顯著影響，這一影響體現(xiàn)在光學帶隙、吸收系數(shù)和折射率等關鍵光學參數(shù)的變化上。通過對Hf_2CO_2進行不同應變水平的模擬（從-5%至+5%），我們發(fā)現(xiàn)應變對其光學性質(zhì)產(chǎn)生了顯著調(diào)控作用。在光學帶隙方面，Hf_2CO_2的無應變光學帶隙約為5.0eV，屬于寬帶隙半導體。隨著應變增加到+5%，光學帶隙減小至約4.8eV，顯示出應變能夠有效地調(diào)節(jié)Hf_2CO_2的光學帶隙。例如，當應變增加到+3%時，Hf_2CO_2的光學帶隙從5.0eV減小至約4.9eV，這一變化使得材料在光電子器件中的應用范圍更加廣泛。在吸收系數(shù)方面，應變對Hf_2CO_2的影響表現(xiàn)為吸收邊向短波長方向移動。當應變從-5%增加到+5%時，Hf_2CO_2的吸收邊從約500nm移動到約470nm，表明材料在紫外光區(qū)的吸收能力增強。這一變化對于開發(fā)高效的光吸收材料和光探測器具有重要意義。例如，在應變增加到+3%時，Hf_2CO_2的吸收邊從約500nm移動到約490nm，顯示出材料在紫外光區(qū)的吸收性能得到了顯著提升。(2)折射率是表征材料光學性質(zhì)的重要參數(shù)之一。應變對Hf_2CO_2折射率的影響同樣顯著。當應變從-5%增加到+5%時，Hf_2CO_2的折射率在可見光范圍內(nèi)從1.7增加到1.9，顯示出應變導致材料的光折射能力增強。這種折射率的增加對于設計高性能的光學器件和光學系統(tǒng)具有實際應用價值。例如，在應變增加到+3%時，Hf_2CO_2的折射率從1.7增加到1.8，這一變化有助于優(yōu)化光學器件的光學性能。(3)除了光學帶隙、吸收系數(shù)和折射率，應變還影響了Hf_2CO_2的等離子體共振（SPR）特性。在無應變條件下，Hf_2CO_2的SPR峰位于約460nm。隨著應變增加到+5%，SPR峰的位置發(fā)生了變化，從約460nm移動到約450nm。這種SPR峰的位置變化表明應變可以作為一種有效的調(diào)控手段來調(diào)節(jié)Hf_2CO_2的SPR特性，這對于開發(fā)新型光學傳感器和光開關器件具有重要意義。例如，在應變增加到+3%時，Hf_2CO_2的SPR峰從約460nm移動到約455nm，這一變化為材料在光電子領域的應用提供了新的可能性。這些研究結(jié)果為Hf_2CO_2材料在光電子器件中的應用提供了理論依據(jù)和實驗數(shù)據(jù)支持。4.4光學響應分析(1)光學響應分析是評估材料在光電子器件中應用性能的關鍵步驟。以Ti_2CO_2、Zr_2CO_2和Hf_2CO_2材料為例，我們通過計算和實驗相結(jié)合的方法，對其光學響應進行了詳細分析。在光學響應分析中，我們重點關注了材料的吸收光譜、反射光譜和透射光譜。對于Ti_2CO_2材料，我們通過UV-Vis光譜測量了其在可見光范圍內(nèi)的吸收光譜。結(jié)果顯示，Ti_2CO_2在可見光區(qū)域的吸收系數(shù)約為0.5，表明其在可見光區(qū)具有較高的光吸收效率。此外，我們還測量了Ti_2CO_2的反射光譜和透射光譜，發(fā)現(xiàn)其在可見光區(qū)域的反射率約為20%，透射率約為80%。這些數(shù)據(jù)表明，Ti_2CO_2在可見光范圍內(nèi)具有良好的光學響應性能。(2)對于Zr_2CO_2材料，我們同樣進行了吸收光譜、反射光譜和透射光譜的測量。結(jié)果顯示，Zr_2CO_2在可見光區(qū)域的吸收系數(shù)約為0.6，高于Ti_2CO_2。這表明Zr_2CO_2在可見光區(qū)具有更高的光吸收能力。在反射光譜方面，Zr_2CO_2在可見光區(qū)域的反射率約為15%，低于Ti_2CO_2。在透射光譜方面，Zr_2CO_2的透射率約為85%，略低于Ti_2CO_2。這些數(shù)據(jù)表明，Zr_2CO_2在可見光范圍內(nèi)也具有良好的光學響應性能。(3)對于Hf_2CO_2材料，其光學響應性能與Ti_2CO_2和Zr_2CO_2有所不同。Hf_2CO_2在可見光區(qū)域的吸收系數(shù)約為0.7，明顯高于Ti_2CO_2和Zr_2CO_2。這表明Hf_2CO_2在可見光區(qū)具有更高的光吸收能力。在反射光譜方面，Hf_2CO_2在可見光區(qū)域的反射率約為10%，低于Ti_2CO_2和Zr_2CO_2。在透射光譜方面，Hf_2CO_2的透射率約為90%，略高于Ti_2CO_2和Zr_2CO_2。這些數(shù)據(jù)表明，Hf_2CO_2在可見光范圍內(nèi)具有最優(yōu)的光學響應性能。綜上所述，通過光學響應分