新型层状A2B3硫属化合物的设计与性能研究(5)
发展至今，已先后出现三代拓扑绝缘体材料。第一代为HgTe量子阱，第二代为BiSb合金，发展到第三代，Bi2Se3， Sb2Te3， Bi2Te3 等硫属化合物就明显显现出其优势，是典型的三文拓扑绝缘体。以上三种材料也是本课题设计研究的重点。其中Bi2Se3既被用于传统的热电材料，又是近年来被认为最有前景的拓扑绝缘体材料。这得益于其能带结构简单，体带隙很大，远大于室温下的能量起伏。但相对于层状块体材料，二文薄膜具有更优异的表面态性质。这是因为块体的表面态会被体内电子态掩盖。而二文薄膜具有高比表面积，表面电子态贡献明显，更适合于构造电子器件。
c.离子交换
水体污染也是科技发达的今天面临的严峻问题。重金属离子Hg2+、Cd2+等以及放射性离子Sr2+、Cs+等亟待治理。比较有效的一种方法便是对这些离子进行离子交换，然后除去。层状硫属化合物因其柔软的骨架,层与层之间有较大的离子贮存空间，以及其中S2-、Se2-弱碱离子对弱酸离子Cs+、Hg2+有较强的亲和力和高选择性，因此常被用作性能优良的离子交换材料[14]。
d.电极材料
MoS2是一种研究的比较透彻的层状硫属化合物，目前已广泛应用于能源领域[6]。其层间间距较大，层与层结合弱，能够很容易的进行离子嵌入的控制[7]。因此，MoS2的纳米层片是很有研究意义的电极材料。这一点也可以给本课题以启发，通过合适的结构设计，探讨VA-VIA族化合物是否也有作为电极材料的潜力。
e.制备纳米薄膜
层状结构硫属化合物目前最诱人的应用前景便是从中剥离获得纳米薄膜，具体内容可参考本文1.2.3节，这里不再赘述。
此外，层状硫属化合物还在传感器、光学非线性、太阳能电池、光探测、场效应晶体管、信息储存、催化等方面有着其独特的应用。对能源危机、环境整改都能发挥巨大作用，确实值得各国科研工作者投入其中。
1.3 本文研究的内容与目的
1.3.1 研究内容
鉴于VA族元素砷、锑、铋的层状硫属化合物优异的结构和潜在的功能性质，本文的主要任务是针对元素A：砷、锑、铋，元素B：硫、硒、碲的A2B3的组合，着重是针对砷的新型无机功能化合物，利用软件Materials Studio进行层状结构设计与建模。仿照现实实验中机械剥离纳米层片，利用软件从层状块体中剥离出单层，建立合适的真空层，完成硫属化合物纳米薄膜的建模。
建模完成后，利用CASTEP模块优化模型，使原子处于最合理的位置。观察结构，研究其对称性、原子排列等信息，如空间群、排列顺序、键长键角、层间距等。把模型输入服务器，结合第一性原理和密度泛函理论，着重计算分析各类组合的纳米层片性质，如能带、态密度DOS、分波态密度PDOS、光学性质等。结合图表分析带隙、轨道键合等性质，验证其稳定性。
1.3.2 研究目的
继第一性原理产生以后，计算材料便得到了飞快的发展。通过本课题的研究，了解计算机在材料科学与工程领域的应用状况。学会利用Materials Studio模拟材料，掌握从微观、介观到宏观材料相关性质的理论预测方法。另外，出于对VA-VIA族层状硫属化合物的研究偏少，又因其潜在巨大的应用价值。本课题通过对此类材料结构的合理设计并计算其性能，以达到对实际实验指导的目的。能够作为实际实验的结构与数据参考，最终指导合成出一类性能优良的层状硫属化合物或其纳米层片，是本课题的真正意义所在。