Ti2Cx2/WS2范德华异质结构中的应变工程：关于机械强度和带隙可调性的第一性原理计算

《Journal of Materials Science & Technology》：Strain engineering in Ti 2CX 2/WS 2 van der Waals heterostructures: First-Principles calculations on mechanical robustness and bandgap tunability

本研究通过密度泛函理论（DFT）分析单轴拉伸下Ti?CX?/WS?（X=O、F、OH）范德华异质结的机械与电子响应，发现异质结相较于单层材料具有更高的抗拉强度，断裂始于单层材料化学键断裂。其中Ti?CO?/WS?异质结在应变下表现出可调带隙，而Ti?CF?/WS?和Ti?C(OH)?/WS?则呈现金属特性。应变还诱导了带对齐类型从II型到I型的动态变化，揭示了异质结在机械稳定性和电子可调性上的协同优势。

　　这项研究聚焦于二维（2D）材料的可调电子和光学特性，揭示了应变工程在设计新型材料功能方面的重要潜力。随着对二维材料特性的深入探索，其在电子、光学和机械领域的应用前景愈发广阔。其中，二维材料的层状结构赋予其独特的物理和化学特性，包括强的面内共价键和弱的范德华（vdW）相互作用。这些特性使得二维材料在构建异质结构时展现出优越的性能，而应变工程则成为调控其功能的一种有效手段。

在众多二维材料中，过渡金属二硫属化合物（TMDs）因其半导体特性（带隙值通常在1至2电子伏特之间）、高电子迁移率以及可调带隙等优势，受到了广泛关注。此外，TMDs还具有良好的机械柔性和热导率，使其成为下一代电子和光学设备的理想候选材料。而MXenes，作为另一类重要的二维材料，因其独特的表面官能团和化学稳定性，在机械性能、界面兼容性以及电子特性方面表现出显著潜力。MXenes通常由MAX相材料通过去除A层而获得，其化学组成为Mn+1AXn，其中M代表过渡金属，A为第三或第四主族元素，X则为氮或碳。MXenes的表面官能团不仅影响其合成方法，还对其物理和化学性质产生深远影响。

在MXenes中，常见的表面官能团包括氧（O）、氟（F）和羟基（OH），这些官能团通常在使用氢氟酸（HF）进行蚀刻过程中形成。它们与MXene基底形成强的表面键，从而增强结构的稳定性。相反，其他官能团如氯（Cl）和硫（S）则可能通过熔盐反应或硫化过程形成，但其应用范围相对有限。尽管如此，MXenes因其优异的机械性能和广泛的应用潜力，如传感器、电子器件、催化剂和储能系统等，已成为材料科学领域的重要研究对象。

在研究二维材料的应变工程时，科学界普遍关注其电子和光学特性的调控。然而，机械性能和断裂机制仍然是影响其实际应用的关键因素。因此，本研究通过密度泛函理论（DFT）计算，系统地分析了Ti?CX?/WS?（X = O, F, OH）范德华异质结构在单轴拉伸变形下的机械和电子响应。该研究不仅验证了异质结构的结构稳定性，还揭示了其在应变条件下的动态行为，包括带隙的可调性以及界面电子特性的变化。

首先，研究者考虑了六种可能的异质结构堆叠方式，并通过比较结合能来筛选出最稳定的构型。随后，利用密度泛函扰动理论（DFPT）进一步验证了所选堆叠方式的动态稳定性。为了更深入地理解范德华相互作用，研究者还进行了电荷密度差（CDD）和电子局域函数（ELF）的计算，并结合巴德（Bader）电荷分析来评估MXenes与TMDs之间的电荷转移行为。这些计算方法共同构成了对异质结构稳定性的全面分析。

在拉伸变形的模拟中，研究者分别考虑了锯齿方向（zigzag）和扶手椅方向（armchair）两种情况，以获取单轴应力-应变曲线。结果显示，MXenes的表面官能团以及应变的方向对异质结构的应力-应变响应和断裂行为具有显著影响。进一步的径向分布函数（RDF）分析表明，断裂主要源于Ti?CX?或WS?层中原子键的破坏，具体取决于应变方向。例如，在锯齿方向的拉伸中，Ti?CX?层的原子键断裂是主要因素；而在扶手椅方向的拉伸中，WS?层的断裂则更为关键。

在电子特性方面，研究者采用了混合泛函计算，以更精确地模拟应变对带隙和能带偏移的影响。结果显示，只有Ti?CO?/WS?异质结构在应变条件下表现出明显的可调带隙特性，而Ti?CF?/WS?和Ti?C(OH)?/WS?则呈现出金属行为。此外，Ti?CO?/WS?异质结构在扶手椅方向的应变下，其能带排列表现出从II型到I型再到II型的可逆转变，这一现象凸显了其动态电子特性。这种可调的带隙和能带偏移不仅为设计新型电子器件提供了理论依据，也为实现应变工程在柔性电子和光电子领域的应用奠定了基础。

研究还指出，应变工程不仅能够调控电子和光学特性，还可以用于评估二维材料在实际应用中的机械可靠性和耐久性。例如，在柔性电子器件中，材料可能会因基底的不对称晶格失配或热膨胀而受到单轴应变的影响。因此，了解材料在不同应变方向下的机械行为，对于优化其在实际应用中的性能至关重要。目前，大多数研究集中在双轴应变条件下，而对单轴应变下的关键特性，如带隙转变、载流子迁移率和机械稳定性等，缺乏系统性的分析。

为了弥补这一研究空白，本研究通过DFT计算，深入探讨了Ti?CX?/WS?异质结构在单轴拉伸下的机械和电子响应。研究结果表明，这些异质结构在结构稳定性和机械性能方面均表现出色，且在应变条件下能够实现电子特性的调控。这一发现为开发具有可调性能的二维异质结构提供了新的思路，尤其是在柔性电子、光电子和纳米复合材料等应用领域。

此外，研究还强调了应变方向对材料性能的影响。例如，在某些二维材料中，锯齿方向的拉伸会导致更高的机械刚度，而在扶手椅方向则可能引发不同的电子和光学响应。这种各向异性行为在二维异质结构中尤为明显，因为其由不同材料层组成，每层对拉伸的响应可能不同。因此，理解应变方向对异质结构性能的影响，对于设计具有特定功能的材料至关重要。

研究者还指出，尽管近年来在二维材料的应变工程方面取得了诸多进展，但对断裂行为的研究仍较为有限。这主要是由于二维材料的原子级厚度和对热力学条件的敏感性，使得其机械性能的测量面临较大挑战。然而，断裂行为的研究对于理解材料的基本破坏机制以及确保其在实际应用中的机械可靠性具有重要意义。为此，研究者借助理论方法，如DFT计算和神经网络力场，对二维材料的断裂行为进行了深入分析。这些方法不仅有助于揭示材料的微观断裂机制，还为预测其宏观性能提供了有力支持。

综上所述，本研究通过系统性的DFT计算，揭示了Ti?CX?/WS?异质结构在单轴拉伸下的机械和电子响应。研究结果表明，这些异质结构在结构稳定性和机械性能方面具有显著优势，并且在应变条件下能够实现电子特性的调控。特别是Ti?CO?/WS?异质结构表现出独特的可调带隙特性，其能带排列在应变作用下呈现可逆变化，为设计新型应变工程材料提供了重要的理论依据。这些发现不仅拓展了二维材料在电子和光学器件中的应用潜力，也为未来在柔性电子、光电子和纳米复合材料等领域的研究提供了新的方向。