TiS2作为电极材料之所以具有吸引力,一个重要原因就在于其本征的高电子电导率。虽然TiS2的电学性质已经被研究了半个多世纪,但是对于TiS2的本征高电导率的起源一直没有共识。尤其近些年,基于密度泛函理论计算,加之其类金属的导电特性,普遍认为TiS2是一种半金属材料。但是,包括光谱学在内的其它实验也认为TiS2有可能是半导体材料。这些在基础认识上的分歧无疑会对进一步优化其作为电极材料的性能以及开发其成为新型功能材料(如热电材料等)形成阻碍。最近,来自中科院、美国和新加坡的多家研究团队历时三年的合作,运用表面表征测量技术结合第一性原理计算对TiS2的本征高电导率的起源进行了深入研究。通过扫描隧道显微镜(STM)研究发现在TiS2表面分布着许多点缺陷(图1),扫描隧道谱(STS)研究发现本征TiS2电子结构呈现为一种标准的n型半导体特征,在表面无缺陷处价带和导带之间存在一个0.5 eV左右的带隙。严格收敛的GW计算结果也验证了禁带的存在。而在有缺陷的位置,STS显示明显的位于禁带中的缺陷态。通过第一性原理计算,采用SCAN-rVV10-U方法结合近600个原子的超原胞,对TiS2中点缺陷的研究(图2)指认出Ti间隙原子是实验中观察到的缺陷,该缺陷也被认为是TiS2重度自掺杂并导致其体现出某些金属性的主要原因。
图1. STM图像显示的TiS2表面缺陷以及相应的STS谱
图2. 理论计算在TiS2中各种可能缺陷的形成能、导电类型及激活能
这一成果近期发表于J. Phys. Chem. Lett.,文章的共同第一作者是美国劳伦斯伯克利实验室王涵博士、新加坡国立大学化学系博士生邱智展和美国纽约州立大学布法罗分校物理系博士生夏威仪,通讯作者为中国科学院长春光机所徐海研究员和上海硅酸盐所孙宜阳研究员。
来源:x-mol.com