【摘 要】
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新型二维半导体具有优异的电子性质,是新一代自旋电子、谷电子器件的候选材料。由于尺度降低到纳米量级,特征能量也随之减小到电子伏特量级,二维材料的内禀属性容易与外场发生耦合。由此激发出的可被外场调节的物理特性为设计与优化自旋电子、谷电子器件提供了平台。本文利用密度泛函理论,研究了单层过渡金属二硫化物和砷烯、锑烯等二维材料在铁磁/铁电基底、掺杂/吸附、降低维度、应变和电场等作用下的电子结构、能谷结构和磁
【基金项目】
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国家自然科学基金（51171126、51671142、U1632152、51661145026）； 天津市自然科学基金（16JCZDJC37300）； 教育部新世纪人才计划（NCET-13-0409）；
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新型二维半导体具有优异的电子性质,是新一代自旋电子、谷电子器件的候选材料。由于尺度降低到纳米量级,特征能量也随之减小到电子伏特量级,二维材料的内禀属性容易与外场发生耦合。由此激发出的可被外场调节的物理特性为设计与优化自旋电子、谷电子器件提供了平台。本文利用密度泛函理论,研究了单层过渡金属二硫化物和砷烯、锑烯等二维材料在铁磁/铁电基底、掺杂/吸附、降低维度、应变和电场等作用下的电子结构、能谷结构和磁各向异性等。所得研究结果为自旋电子、谷电子器件的设计与实现提供理论依据。本文的主要工作如下:（1）通过研究室温亚铁磁性Fe3O4基底对单层WTe2能谷结构的影响,发现与Fe3O4的交换相互作用使单层WTe2出现能谷劈裂。基底终端和界面接触方式对单层WTe2的电子结构有影响。因此选择合适的基底终端并控制具体接触方式对单层WTe2/Fe3O4谷电子器件十分必要。外加应变和电场将界面态和能谷态对单层WTe2传导特性的贡献分离。能谷劈裂在电场下保持稳定;（2）通过研究多铁性YMn O3基底的磁电耦合对单层WTe2能谷结构的影响,发现Ti掺杂使单层WTe2出现能谷劈裂,且谷劈裂能可由基底的电极化方向控制。能谷电学调控的首次实现为谷电子器件的设计提供了理论指导;（3）通过研究5d元素掺杂的单层WSe2的磁各向异性,揭示了磁各向异性随杂质电子填充状态改变所表现出的奇偶规律,并利用二阶微扰理论进行了解释。通过对掺杂的单层WSe2进行电子与空穴掺杂,证实了奇偶规律的可靠性。5d元素掺杂的单层WSe2具有垂直各向异性,在新型磁存储器件中有应用前景;（4）3d元素吸附能影响Td相单层WTe2的电子结构。Ni元素吸附使单层WTe2恢复体相中导致不饱和巨磁电阻的电子-空穴补偿能带。此结果为二维材料巨磁电阻效应的研究提供了理论基础;（5）在砷烯/Fe Cl2范德华异质结中,砷烯的导带底受单层Fe Cl2的半金属性影响,出现自旋劈裂。自旋劈裂和二者的接触势垒均可被外加垂直电场调控。因此砷烯/Fe Cl2异质结中有可能出现电场可控的反常霍尔效应;（6）自旋轨道耦合效应对锑烯纳米带的电子结构影响较大。空间反演对称性缺失的锑烯纳米带具有自旋轨道劈裂。自旋密度波是锯齿型纳米带的基态。特定结构的纳米带在面内电场作用下出现电子-空穴补偿能带,在巨磁电阻效应方面具有研究价值。
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