采用第一性原理方法研究块状和单层MTe2（M = Ti, Zr）材料的结构、电子、光学及振动特性

《Computational Condensed Matter》：First-principles study of structural, electronic, optical and vibrational properties of bulk and monolayer MTe2 (M = Ti, Zr)

　　

Pradeep Tanwar|Uttam Paliwal

物理系，Jai Narain Vyas大学，焦特布尔，342005，印度

摘要

本文研究了MTe₂（M = Ti, Zr）块体和单层相的结构、电子、光学和振动性质，以及应变对单层相的影响。对于块体MTe₂，当包含三体色散校正时，计算得到的晶格参数和声子频率与早期的实验和理论数据一致。使用PBE-D3计算的电子能带结构显示能带重叠，预示MTe₂的块体和单层相都具有半金属性质。然而，HSE06 hybrids计算预测ML-TiTe₂为半金属，而ML-ZrTe₂为间接带隙半导体。对单层相的应变依赖性研究表明，ML-TiTe₂在10%的拉伸应变下发生从半金属到半导体的转变，ML-ZrTe₂在4%的拉伸应变下发生转变。部分态密度（DOS）分析表明，与Te-5p轨道相比，施加的应变对金属d轨道的影响更大。HSE06泛函预测两种单层相的半金属到半导体转变所需的应变值比PBE-D3更小。对块体和单层TiTe₂和ZrTe₂的光学参数的研究反映了Te原子和金属原子之间的带间跃迁。由于施加的应变，在ML-TiTe₂的红外区域出现了峰分裂，而在ML-ZrTe₂中，峰在可见光区域发生位移并增强。

引言

过渡金属硫属化合物（TMDs）是一类具有独特结构和电子性质的开有趣的材料[1]。在各种TMDs中，TiTe₂和ZrTe₂因其独特的性质而脱颖而出[[2], [3], [4], [5]]，它们采用层状CdI₂型结构[6], [7], [8]]。这种结构的特点是X-M-X层的堆叠（其中M是过渡金属，X是硫属原子）[6], [7], [8]]，各层通过弱的范德华（vdW）力结合在一起，使其能够机械剥离成超薄的单层[9]，为探索二维（2D）物理和器件应用奠定了基础[10,11]。

TiTe₂和ZrTe₂属于IVA族的TMDs。ZrTe₂具有有趣的电子性质，表现出半金属行为，其能带结构包括类狄拉克色散和可能的拓扑非平凡态，这引起了人们对量子材料研究的兴趣[12,13]。最近的研究发现，ZrTe₂（ZrTe_2-x）中的Te缺失会导致超导性，临界温度约为3.2 K，其特征是两能隙电子-声子配对机制，表明这种材料具有多能带超导性[14], [15], [16]]。此外，ZrTe₂也被认为是狄拉克半金属，通过各种实验技术确认存在无质量的4重准粒子[4,17,18]。弱vdW层间相互作用允许丰富的化学插层和离子门控，从而进一步调控其电子态[19,20]。例如，将Cu或Ni离子插入ZrTe₂会显著改变其电子性质，并提高超导性并出现竞争性的电荷密度波（CDW）相[4,21]。

另一方面，TiTe₂传统上被视为半金属，因其丰富的CDW现象[22,23]、金属导电性[24]、超导性[25]以及在传感、催化和相变器件中的潜在应用[10,26]而受到广泛关注。这些材料中强自旋-轨道耦合、电子-声子相互作用和可调载流子密度的相互作用使它们成为基础研究和下一代技术的理想候选材料[10,[27], [28], [29], [30]]。

此外，TiTe₂和ZrTe₂易于进行化学修饰、对外部场有响应，并能与其他2D材料形成异质结构，这为它们在光电子学、能量存储和量子计算领域的应用开辟了新前景[10,17,[31], [32], [33]]。合成和表征技术的最新进展进一步促进了对其内在性质和器件集成的探索，推动了这些令人兴奋的TMDs的研究发展。

TMDs由于其可调的电子和光学性质而具有显著优势，这些性质受硫属原子选择、层数和外部场等多种因素的控制[34,35]。施加的压力和应变可以引起结构转变，从而导致不同的性质，使得应变成为关键参数[[35], [36], [37]]。2D TMDs可以承受高达10%的应变[38]，从而实现带隙调制和金属-半导体转变[39]。因此，可以使用外部场制造出各种可调纳米器件[40,41]。

尽管已经研究了TMDs的块体和2D相以扩大这些材料的应用领域，但大多数研究集中在VIA族的硫化物上，如MoS₂、WS₂等。其他族的TMDs，特别是过渡金属碲化物（MTe_{22的应变依赖性电子和光学性质的计算研究也很少。据我们所知，这些材料尚未应用三体色散校正。受到这一启发，我们尝试使用密度泛函理论（DFT）对MTe2（M = Ti, Zr）的块体和2D层状形式进行全面的结构性、电子学、光学和振动性质研究，包括三体色散校正。计算了基本的状态参数，并通过详细的能带结构和态密度分析探讨了电子特性。还通过计算介电函数、反射率等关键光学参数分析了光学特性。此外，系统地研究了施加的双轴应变对单层（ML）MTe2的结构、电子和光学行为的影响。}

节片段

计算细节

第一性原理计算使用Quantum ESPRESSO软件包[42]进行，该软件基于密度泛函理论框架内的平面波赝势方法[43]。为了处理DFT哈密顿量中的交换和相关效应，采用了Perdew-Burke-Ernzerhof（PBE）形式的广义梯度近似（GGA）[44,45]。对于金属原子和Te原子之间的电子-离子相互作用，选择了保范数的标量相对论赝势[46]。

结构性质

结构性质的计算采用了两种方法：即仅使用PBE泛函，以及结合D3型色散校正的PBE（表示为PBE-D3），以区分这些层状材料中弱vdW力的影响。使用PBE和PBE-D3计算的块体和单层MTe₂的结构参数列在表1中。

表1显示了使用PBE计算的块体TiTe₂的平面内晶格常数a和平面外晶格常数c

结论

本文利用DFT框架中的色散校正，研究了TiTe₂和ZrTe₂三角1T相的块体和单层相的结构、电子、光学和振动性质。还研究了双轴应变对单层相的结构、电子和光学特性的影响。对于块体相，计算得到的晶格常数、弹性常数、机械参数和声子频率与

CRediT作者贡献声明

Pradeep Tanwar：概念构思、数据整理、方法论、软件开发。Uttam Paliwal：监督、验证、可视化、初稿撰写、审稿与编辑。

利益冲突声明

? 作者声明他们没有已知的可能会影响本文所述工作的财务利益或个人关系。