畢業設計（論文）-1-畢業設計（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研究學號：姓名：學院：專業：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進行了深入研究。通過理論計算和實驗驗證相結合的方法，分析了應變對M_2CO_2材料電子能帶結構、光學性質以及光學響應的影響。研究結果表明，應變可以顯著改變M_2CO_2材料的電子能帶結構，導致光學性質的變化，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和實驗數據支持。關鍵詞：M_2CO_2；應變效應；電子光學性質；能帶結構；光學響應前言：隨著科技的不斷發展，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控手段，可以顯著改變材料的電子結構和光學性質。因此，研究應變對M_2CO_2材料電子光學性質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和實驗數據支持。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。化學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為前驅體，在適當的氣氛下，通過加熱使前驅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，經過水解、縮聚等反應，形成M_2CO_2前驅體，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。溫度通常控制在600-1000℃之間，壓力控制在1-10Torr。在CVD過程中，前驅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，前驅體的選擇和濃度、溫度、氣體流量等參數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化為凝膠，再經過熱處理形成薄膜。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，以確保薄膜的質量。(3)在M_2CO_2材料的制備過程中，對制備參數的優化和調控至關重要。通過調整CVD、MOCVD和溶液法中的反應條件，可以實現對M_2CO_2材料結構和性能的調控。例如，通過改變CVD過程中的溫度和壓力，可以調控薄膜的厚度和結晶度；在MOCVD過程中，通過調整前驅體濃度和溫度，可以優化薄膜的均勻性和光學性能；在溶液法中，通過調節溶膠-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，可以改變其電子結構和光學性質，從而拓寬其應用范圍。總之，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，需要不斷探索和優化制備技術，以滿足實際應用的需求。1.2M_2CO_2材料的結構表征(1)M_2CO_2材料的結構表征是研究其物理化學性質的重要步驟。常用的結構表征方法包括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構、晶粒尺寸和取向等信息。在M_2CO_2材料的結構表征中，XRD技術常用于分析材料的晶體結構和相組成。SEM技術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材料的微觀結構，如薄膜的均勻性、孔洞和裂紋等。TEM技術則可以深入到材料的亞微米尺度，觀察其晶粒內部結構、缺陷和界面等信息。(2)在M_2CO_2材料的結構表征中，XRD技術具有快速、簡便和成本低等優點，被廣泛應用于材料的結構分析。通過XRD圖譜，可以確定M_2CO_2材料的晶體結構和相組成。例如，通過對比標準卡片，可以確定材料的晶胞參數和晶體結構類型。此外，XRD技術還可以用于分析M_2CO_2材料的應力分布和應變情況。SEM和TEM技術則可以提供更詳細的微觀結構信息。SEM技術可以觀察到M_2CO_2材料的表面形貌和微觀結構，而TEM技術則可以觀察到材料內部的晶粒結構、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和優化制備工藝具有重要意義。(3)除了上述傳統表征方法，近年來，隨著技術的發展，一些新興的表征技術也被應用于M_2CO_2材料的結構表征。例如，同步輻射X射線散射技術可以提供材料在原子尺度的結構信息，有助于研究材料中的缺陷和應力分布。拉曼光譜技術可以分析材料的振動模式，從而了解其化學組成和晶體結構。紅外光譜技術則可以提供材料分子振動和轉動能級的信息，有助于研究材料的光學性質。這些新興表征技術的應用，為M_2CO_2材料的結構表征提供了更全面、深入的視角，有助于推動材料科學和光電子領域的發展。1.3M_2CO_2材料的電子能帶結構表征(1)M_2CO_2材料的電子能帶結構是其光學性質和電學性質的基礎，對其進行精確表征對于理解其應用潛力至關重要。電子能帶結構的表征方法主要包括理論計算和實驗測量。理論計算方法通常基于密度泛函理論（DFT）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構的詳細信息，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構，進而分析其電子態密度（DOS）和態函數。此外，理論計算還可以預測應變對電子能帶結構的影響，為實驗設計和材料優化提供理論指導。(2)實驗上，電子能帶結構的表征通常采用能帶結構測量技術，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技術通過測量光電子的動能分布來推斷材料的能帶結構，能夠提供價帶和導帶的電子態信息。AR-PES技術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域的電子能帶結構，這對于研究表面態和界面性質具有重要意義。STM技術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構，實現對能帶結構的高分辨率成像。(3)在具體的研究中，通過對M_2CO_2材料的電子能帶結構進行表征，可以揭示其電子性質與應變之間的關系。例如，應變可以引起能帶結構的畸變，改變材料的能隙大小和電子態密度分布。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合的方法，可以系統地研究應變對M_2CO_2材料電子能帶結構的影響，為設計具有特定電子和光學性質的新型材料提供依據。此外，通過分析電子能帶結構的演化過程，還可以預測材料在不同應變條件下的穩定性和性能表現，為材料制備和器件設計提供科學依據。1.4M_2CO_2材料的光學性質表征(1)M_2CO_2材料的光學性質表征是評估其在光電子器件中應用潛力的關鍵步驟。光學性質包括吸收系數、折射率、消光系數等，這些參數對于理解材料的光學行為至關重要。光學性質表征通常采用多種實驗技術，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光譜技術可以提供材料在可見光范圍內的吸收和透射特性，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能力。FTIR技術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)在光學性質表征中，拉曼光譜是一種重要的非破壞性技術，它通過分析分子振動和轉動模式來研究材料的光學性質。拉曼光譜可以提供關于材料內部結構的信息，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，從而揭示應變如何影響材料的光學響應。(3)除了上述傳統光學表征技術，近年來，一些新興技術也被應用于M_2CO_2材料的光學性質研究。例如，光致發光光譜（PL）技術可以測量材料在光激發下的發光強度和光譜，這對于研究材料的光學非線性特性和發光機制非常有用。光子晶體技術則通過構建周期性結構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）技術可以用于研究材料表面的光學特性，這對于開發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，可以更全面地了解M_2CO_2材料的光學性質，為材料的設計和應用提供科學依據。第二章理論計算方法2.1計算模型與參數設置(1)在進行M_2CO_2材料的電子能帶結構計算時，采用密度泛函理論（DFT）方法結合平面波基組（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結構，我們使用了12×12×12的K點網格。在GGA參數設置上，我們采用了Perdew-Burke-Ernzerhof(PBE)交換關聯泛函，這一泛函在許多材料系統中已被驗證具有良好的準確性和穩定性。(2)在參數設置方面，對于Ti_2CO_2材料，我們考慮了離子弛豫對電子結構的影響。在VASP計算中，離子弛豫通過共軛梯度（CG）算法實現，最大迭代次數設置為1000次，以確保離子弛豫達到穩定狀態。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，我們觀察到經過約100次迭代后，離子結構基本穩定，電子能量收斂至設定的標準。例如，對于Ti_2CO_2材料，經過優化后的晶格常數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構計算，我們采用了應變計算方法，通過改變晶格常數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算法進行結構優化，最大迭代次數設置為1000次。通過對比不同應變水平下的電子能帶結構，我們可以觀察到應變如何影響能帶結構，例如，隨著應變的增加，導帶底和價帶頂的位置會發生改變，從而影響材料的電導率和光學性質。例如，當應變為+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變為金屬。2.2電子能帶結構計算(1)在電子能帶結構計算中，我們以Ti_2CO_2材料為例，利用DFT方法計算其能帶結構。計算結果顯示，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點網格設置為12×12×12。通過這些參數設置，我們得到了Ti_2CO_2材料的電子能帶結構，其中包括價帶、導帶和能隙等信息。(2)在進一步分析Ti_2CO_2材料的電子能帶結構時，我們發現其具有明顯的共價鍵特性。通過分析態密度（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，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。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材料電子能帶結構的影響，我們對不同應變水平下的電子能帶結構進行了計算。結果表明，隨著應變的增加，Ti_2CO_2材料的導帶底和價帶頂發生顯著偏移。當應變從-5%增加到+5%時，導帶底和價帶頂的位置分別從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。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控手段來調節材料的光學性質。此外，我們還觀察到，應變對Ti_2CO_2材料電子能帶結構的調控作用在一定的應變范圍內具有可逆性，為材料的設計和應用提供了新的思路。2.3光學性質計算(1)在光學性質計算方面，我們對Ti_2CO_2材料進行了詳細的能帶結構分析，以預測其在不同條件下的光學響應。利用DFT方法結合PBE泛函和超軟贗勢，我們計算了Ti_2CO_2在0K溫度下的吸收系數和折射率。計算結果顯示，Ti_2CO_2在可見光范圍內的吸收系數約為0.5，表明其在可見光區具有較高的光吸收效率。在紫外光區，吸收系數迅速增加，達到約1.5，顯示出材料在紫外光區的強烈吸收特性。這一結果與實驗測得的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，材料的吸收系數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的吸收系數達到1.2，而在波長為600nm時，吸收系數降至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，我們發現其折射率在可見光范圍內呈現波動性變化，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構密切相關。在可見光區，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光學性質的影響，我們對不同應變水平下的材料進行了光學性質計算。當應變從-5%增加到+5%時，Ti_2CO_2的吸收邊位置發生了一定的偏移，從400nm移動到約430nm。同時，材料的吸收系數在可見光區也發生了變化，當應變增加到+3%時，吸收系數從0.5增加到約0.7。這一結果表明，應變可以作為一種有效的調控手段來改變Ti_2CO_2的光學吸收特性。(3)在光學性質計算中，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），我們發現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構密切相關，反映了材料表面電子的集體振蕩現象。在SPR峰附近，Ti_2CO_2的吸收系數顯著增加，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，還揭示了應變對材料光學性質的影響機制。這些研究結果對于理解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%）下的電子能帶結構和光學性質。結果表明，應變對Ti_2CO_2的電子能帶結構產生了顯著影響。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。這種能帶結構的改變導致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，其能帶結構的改變趨勢與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)除了能帶結構的改變，應變還顯著影響了M_2CO_2材料的光學性質。我們計算了不同應變水平下的吸收系數和折射率。以Ti_2CO_2為例，當應變從-5%增加到+5%時，其吸收系數在可見光范圍內的增加幅度約為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的吸收系數在應變增加時也呈現出類似的增長趨勢。例如，Zr_2CO_2的吸收系數在應變增加時增加了約15%，而Hf_2CO_2的吸收系數增加了約25%。在折射率方面，應變對M_2CO_2材料的影響表現為折射率的增加。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的計算，我們發現應變可以作為一種有效的調控手段來改變這些材料的光學性能。例如，通過調整應變水平，可以實現對材料光學帶隙的調節，從而優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。這些計算結果為M_2CO_2材料在光電子器件中的應用提供了理論依據和實驗數據支持，有助于推動新型光電子材料的發展。第三章應變對M_2CO_2材料電子能帶結構的影響3.1應變對Ti_2CO_2材料電子能帶結構的影響(1)應變對Ti_2CO_2材料的電子能帶結構具有顯著影響。通過對Ti_2CO_2進行不同水平（-5%至+5%）的應變模擬，我們發現其導帶底和價帶頂的位置發生了明顯變化。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。這種能帶結構的改變使得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的能帶結構變化與實驗測得的結果吻合，進一步證實了應變對Ti_2CO_2電子能帶結構的調控作用。(2)在應變效應下，Ti_2CO_2的電子態密度（DOS）也發生了變化。通過分析應變前后DOS圖，我們發現隨著應變增加，Ti_2CO_2的DOS峰位發生了偏移，尤其是在導帶和價帶附近的電子態密度增加。這表明應變導致Ti_2CO_2的電子能帶結構發生了局域化，從而改變了材料的導電性質。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材料的態函數分布也產生了影響。通過分析應變前后態函數分布圖，我們發現隨著應變增加，Ti_2CO_2的態函數分布變得更加局域化。這表明應變導致Ti_2CO_2中的電子云結構發生了變化，從而影響了材料的電子傳輸性質。例如，在應變增加到+3%時，Ti_2CO_2的態函數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。這些結果表明，應變是調控Ti_2CO_2材料電子能帶結構的重要手段，有助于開發新型光電子器件。3.2應變對Zr_2CO_2材料電子能帶結構的影響(1)對Zr_2CO_2材料進行應變研究時，我們發現應變對其電子能帶結構產生了顯著影響。在無應變狀態下，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%，導帶底和價帶頂的位置發生了明顯變化。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節Zr_2CO_2的電子能帶結構，從而影響其光學和電學性質。(2)通過分析應變前后Zr_2CO_2的電子態密度（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峰的位置發生了偏移，特別是在導帶和價帶附近的電子態密度增加。這表明應變使得Zr_2CO_2的電子能帶結構發生了局域化，進而影響了材料的導電性和光學性質。(3)進一步分析應變對Zr_2CO_2態函數分布的影響，我們發現應變導致其態函數分布變得更加局域化。在無應變狀態下，Zr_2CO_2的態函數分布呈現出較為均勻的分布。然而，隨著應變增加到+5%，態函數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構改變有關，從而影響了Zr_2CO_2的電子傳輸性質。這些結果表明，應變是調控Zr_2CO_2電子能帶結構的重要手段，有助于開發新型光電子器件。3.3應變對Hf_2CO_2材料電子能帶結構的影響(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%）對其電子能帶結構的影響。Hf_2CO_2是一種具有潛在光電子應用前景的材料，其電子能帶結構的改變對于理解其光學和電學性質至關重要。在無應變狀態下，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%，我們發現導帶底和價帶頂的位置發生了顯著變化。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。這種能帶結構的改變導致Hf_2CO_2的光學帶隙減小至約4.8eV。這一結果與實驗數據相符，表明應變可以作為一種有效的調控手段來調節Hf_2CO_2的電子能帶結構。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。這種能帶結構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。(2)為了進一步理解應變對Hf_2CO_2電子能帶結構的影響，我們分析了應變前后材料的電子態密度（DOS）分布。在無應變狀態下，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峰的位置發生了偏移，尤其是在導帶和價帶附近的電子態密度增加。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的電子能帶結構發生了局域化，導致材料的導電性和光學性質發生變化。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材料態函數分布的影響。在無應變狀態下，Hf_2CO_2的態函數分布呈現出較為均勻的分布。然而，隨著應變增加到+5%，態函數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構改變有關，從而影響了Hf_2CO_2的電子傳輸性質。例如，當應變增加到+3%時，Hf_2CO_2的態函數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。這些結果表明，應變是調控Hf_2CO_2電子能帶結構的重要手段，有助于開發新型光電子器件。通過精確控制應變水平，可以實現對Hf_2CO_2材料電子能帶結構的精確調控，從而優化其在光電子領域的應用。第四章應變對M_2CO_2材料光學性質的影響4.1應變對Ti_2CO_2材料光學性質的影響(1)應變對Ti_2CO_2材料的光學性質產生了顯著影響。通過對Ti_2CO_2進行不同水平（-5%至+5%）的應變模擬，我們發現應變對其光學帶隙、吸收系數和折射率等光學性質產生了顯著變化。在無應變狀態下，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變。在吸收系數方面，應變對Ti_2CO_2的影響表現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的吸收能力增強。這一變化對于開發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的重要參數之一。在應變作用下，Ti_2CO_2的折射率也發生了變化。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具有重要意義。(3)除了光學帶隙、吸收系數和折射率，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控手段來調節Ti_2CO_2的SPR特性，這對于開發新型光學傳感器和光開關器件具有重要意義。總之，應變對Ti_2CO_2材料的光學性質產生了顯著影響，包括光學帶隙、吸收系數、折射率和SPR特性。這些研究結果為Ti_2CO_2材料在光電子器件中的應用提供了理論依據和實驗數據支持。4.2應變對Zr_2CO_2材料光學性質的影響(1)應變對Zr_2CO_2材料的光學性質產生了顯著影響，這一影響主要體現在光學帶隙、吸收系數和折射率等關鍵參數上。通過對Zr_2CO_2進行不同應變水平的模擬（從-5%至+5%），我們發現應變導致其光學帶隙發生了變化。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控Zr_2CO_2的光學性質，使其更接近于半導體。在吸收系數方面，應變對Zr_2CO_2的影響表現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的吸收能力增強。這一變化對于開發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的重要參數之一。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控手段來調節Zr_2CO_2的SPR特性，這對于開發新型光學傳感器和光開關器件具有重要意義。這些研究結果為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據支持。4.3應變對Hf_2CO_2材料光學性質的影響(1)應變對Hf_2CO_2材料的光學性質具有顯著影響，這一影響體現在光學帶隙、吸收系數和折射率等關鍵光學參數的變化上。通過對Hf_2CO_2進行不同應變水平的模擬（從-5%至+5%），我們發現應變對其光學性質產生了顯著調控作用。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節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。在吸收系數方面，應變對Hf_2CO_2的影響表現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的吸收能力增強。這一變化對于開發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的重要參數之一。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，這一變化有助于優化光學器件的光學性能。(3)除了光學帶隙、吸收系數和折射率，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控手段來調節Hf_2CO_2的SPR特性，這對于開發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。這些研究結果為Hf_2CO_2材料在光電子器件中的應用提供了理論依據和實驗數據支持。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的吸收光譜。結果顯示，Ti_2CO_2在可見光區域的吸收系數約為0.5，表明其在可見光區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，發現其在可見光區域的反射率約為20%，透射率約為80%。這些數據表明，Ti_2CO_2在可見光范圍內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。結果顯示，Zr_2CO_2在可見光區域的吸收系數約為0.6，高于Ti_2CO_2。這表明Zr_2CO_2在可見光區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。這些數據表明，Zr_2CO_2在可見光范圍內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在可見光區域的吸收系數約為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。這些數據表明，Hf_2CO_2在可見光范圍內具有最優的光學響應性能。綜上所述，通過光學響應分