蓝磷烯—二硫化钼异质结电子结构性质的第一性原理研究

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自2004年石墨烯(Graphene)被分离出来后,研究者们断断续续的又发现了最少几十种性质大相径庭的二维材料。到现在为止已经被发现的二维材料分别有石墨烯、磷烯(Phosphorene)、硅烯(Silicene)以及过渡金属二硫化物(transition metal dichalcogenides,简称TMDCs)等等。其中部分二维材料已经在实验上被成功分离得到,比如说黑磷、蓝磷烯、氮化硼、二硫化钼等等。因为二维材料的力学、电学以及磁性等性质在纳米电子器件和电子学等诸多领域具有广阔的应用前景,所以引起了研究者们对研发二维材料的极大兴趣。这些材料的性能各有优劣,当不同的二维材料通过范德华相互作用在垂直方向上堆叠在一起时会形成范德瓦尔斯(van der Waals,简称vdW)异质结,这种堆垛后的结构出现的新特性为二维材料的研究提供了新的方向。实验上已经成功制备了蓝磷纳米片和单层的二硫化钼材料,它们有相近的晶格常数并且平面都属于六角晶格。本论文利用第一性原理密度泛函理论对蓝磷烯-二硫化钼(BlueP/MoS2)异质结构的性质进行了研究。研究内容和结论如下:(1)通过基于密度泛函理论(Density Functional Theory,简称DFT)的第一性原理计算,它们的晶格失配率为2.7%,而且六种堆垛结构的能量以及结合能均为负值,这表示结构是可以稳定存在。在这些结构中,最稳定的结构是AA堆垛,它是带隙为Eg=1.03 eV的间接带隙半导体。紧接着我们又分析了投影能带图,发现范德瓦尔斯异质结构的价带顶(valence band maximum,简称VBM)主要由Mo原子的d轨道组成,P原子的pz轨道状态贡献很小,而它的导带底(conduction band minimum,简称CBM)主要由Mo原子的d轨道组成。(2)基于前面的工作,我们又在范德瓦尔斯异质结构的夹层吸附了几种过渡族金属原子(transition metal atoms,简称TMs)Sc、Ti、V、Cr、Mn、Fe、Co。所有范德瓦尔斯异质结构的吸附能均为负值,这表示吸附结构是比较稳定的。观察到异质结构出现了磁性并且吸附V原子时范德瓦尔斯异质结的磁矩是最大的(4.73μB)。在蓝磷烯-二硫化钼异质结的夹层吸附过渡金属原子,体系的电子结构会从半导体性转换为自旋劈裂的金属性;上自旋和下自旋的电子态在不同的K点发生劈裂;同时,不同自旋态的电子在实空间中也能发生分离,这一性质使得该体系可以实现纯自旋流的操控。蓝磷-二硫化钼范德瓦尔斯异质结构将在未来的纳米器件和自旋器件领域中提供可能的应用选择。
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