二维层状过渡金属硫化物因其独特的电子结构和相应的物理、化学性质而备受关注,成为当前材料研究的热点之一。本论文采用基于密度泛函理论的第一性原理计算、多体微扰GW方法以及Bethe-Salpeter方程分别研究了体相和单层二硫化钼的电子结构与光学响应以及二硫化钒的电子结构等基本性质,并在此基础上探讨了二维过渡金属硫化物在光学领域以及二次电池中的潜在应用。论文主要包括以下内容：(1)我们以体相二硫化钼材料作为研究对象,通过GW方法和Bethe-Salpeter方程计算了体相二硫化钼的介电函数和折射率等光学性质。我们确认了体相二硫化钼作为典型单轴晶体的特性：体相二硫化钼在低能端,包括整个可见光区域存在很大的各向异性,其各项异性参数的平均值达到2.5以上；通过解析麦克斯韦方程组,我们分析了电磁波从各项同性介质到体相二硫化钼的传播过程。我们发现体相二硫化钼由于其自身的各向异性因而能够强烈地调制电磁波的传播,使得电磁波在入射角从O到90度范围内都可能产生负折射现象。这是首次在体相二硫化钼中发现此现象。接着我们使用有限时域差分算法研究了电磁波在体相二硫化钼中发生负折射现象的效率。对于厚度为0.1微米的体相二硫化钼样品,我们计算发现约59.5%的入射光发生了负折射撒。本项研究表明层状二硫化钼材料能够有效地实现光的负折射,从而指出了二维过渡金属硫化物在光学领域一个新的研究方向。(2)我们探索并提出了一种基于单层二硫化钼的应变传感器技术。利用GW方法和Bethe-Salpeter方程,我们系统研究了由应变所导致的单层二硫化钼光学性质的改变。施加线性拉伸应变可以调谐单层二硫化钼的光学性质,得到准线性的反射率红移谱。基于线性移动的特性,我们设计制作了新型单层二硫化钼可调谐反射式光栅。对这种反射式光栅施加应力能够改变单层二硫化钼的反射率,从而引起衍射屏上一级衍射光强度的重新分布。我们成功计算了衍射屏上一级衍射光强度的分布。通过对一级衍射光强度分布的分析可以最终确定材料所受的应变大小。我们的研究表明这种单层二硫化钼可调谐反射式光栅能够作为一个简易的、远程的测量柔性电子器件应变的设备装置。(3)我们初步讨论了一类新型二维过渡金属硫化物二硫化钒在二次电池中的应用。利用密度泛函理论,我们研究了单层及体相二硫化钒作为负极材料应用与锂和钠离子电池时的吸附能和扩散系数。我们的计算表明,以二硫化钒作负极材料的二次电池能够实现较低的输出电压和高达466毫安时/克的电池容量。相比体相二硫化钼,以体相二硫化钒作负极材料的锂和钠离子电池的扩散系数要分别高出三和七个数量级。另一方面,相比在锂离子电池的应用,二硫化钒作为负极材料应用于钠二次电池时显示出更好的电化学性能。我们的研究显示出二硫化钒作为锂和钠离子电池负极材料的优秀潜力。
