MoS2的原子结构与带隙
根据单层中不同的Mo原子配位相，有不同的MoS2结构：六方MoS2和四方MoS2（图1a）。相比之下，在2H-MoS2（半导体相）中，六方MoS2中的Mo原子层夹在S层之间，具有Mo原子的三角棱柱配位。有序1T-MoS2或扭曲1T′-MoS2（金属相）的四方MoS2，具有Mo原子的八面体配位。基于这种结构差异，半导体MoS2和金属MoS2表现出不同的性质。图1b显示了三角棱柱2H-MoS2和八面体1T-MoS2的相应Mo排列的扫描透射电子显微镜（STEM）图像。如图1b所示的透射电子显微镜（TEM）图像，金属相的点阵是六角形的，而半导体相的点阵是蜂窝状的，两个相邻位置的强度对比变化很小。
图1. a） 不同多型MoS2的原子结构示意图，六方MoS2和四方MoS2。b） 半导体MoS2（2H-MoS2）和金属MoS2（1T-MoS2）的对应STEM图像。
自然界中不存在金属MoS2，人们通常用丁基锂将半导体MoS2与锂离子插层，得到亚稳金属MoS2。然而，亚稳态金属MoS2在锂离子从MoS2中析出后，又恢复了其半导体相。为了进一步了解MoS2各相的结构，图2显示了带有三角棱柱配位的2H相和带有八面体配位的1T相，1T′相的几何结构，不同类型的MoS2由于其不同的Mo原子排列和带隙而具有显著不同的电子性质。三角棱柱单层2H-MoS2是一种半导体材料。Mo 4d轨道分为三个简并态，能隙为1.0 eV。此外，Mo4+物种的两个d电子占据了4dz2轨道，从而导致了半导体性质。半导体MoS2的间接带隙约为1.9 eV，如图2b所示。相反，1T-MoS2是一种顺磁性的金属材料。从原子结构上看，1T-MoS2是x方向的标准2×1超晶格结构。八面体配位体场的d轨道呈四方对称简并，最多可被六个电子填充以形成金属相结构。因此，金属MoS2的带隙可以忽略，如图2b所示。相应地，在1T′-MoS2中，Mo原子沿γ方向被1D锯齿链扭曲并且具有0.006eV的带隙（图2b）。与1T-MoS2相相比，1T′-MoS2的能态每单位低0.15eV。Li及其同事认为，在1T-1T′之间没有能垒，这意味着在单层MoS2中会有1T-1T′的自发结构弛豫。为了简单地识别1T和1T′，研究人员已经用STEM方法报道了这一点，他们从STEM图像中证明了1T′结构由Mo锯齿链组成。
图2. a) 2H、1T和1T′MoS2几何结构的2D视图和对应的 b) 坐标能带结构。
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