第一性原理研究非磁性元素?fù)诫s單層MoS2中的磁性.pdf

1、近年來，在自旋電子學(xué)領(lǐng)域，如何制備有實(shí)用價(jià)值的稀磁半導(dǎo)體材料受到科學(xué)界廣泛關(guān)注。不過，更多的研究集中在過渡磁性金屬摻雜三維塊體方面。在二維石墨烯被發(fā)現(xiàn)后，類石墨烯結(jié)構(gòu)的過渡金屬二硫化合物格外引人注目。其獨(dú)特的幾何構(gòu)型、寬帶隙以及穩(wěn)定性，既方便摻雜又利于納米化，意味著在未來的納米電子自旋器件領(lǐng)域有廣闊的發(fā)展前景。盡管大量的研究工作投入到了過渡磁性金屬元素?fù)诫s，也取得了階段性成果，但是離實(shí)際應(yīng)用仍遙不可及。本工作以密度泛函理論為手段，基于前

2、人的研究基礎(chǔ)，以MoS2為基體材料，另辟蹊徑，利用非磁性元素取代摻雜來調(diào)控MoS2的電子結(jié)構(gòu)和磁性，力圖揭示非磁性元素?fù)诫s方法在MoS2基體中產(chǎn)生d0鐵磁性的物理機(jī)制，搜尋適合制備納米自旋電子器件的MoS2基材料。本論文的主要研究內(nèi)容和主要結(jié)果如下:
　　第一章，本章我們簡單介紹了自旋電子學(xué)相關(guān)概念，磁性半導(dǎo)體的概念以及雙極化磁性半導(dǎo)體的相關(guān)性質(zhì)。回顧了單層二維MoS2的幾何結(jié)構(gòu)、電子結(jié)構(gòu)與磁性。詳細(xì)地追蹤了MoS2基磁性材料的在

3、近幾年來的研究進(jìn)展。
　　第二章，本章我們首先回顧了固體中磁矩間的不同的磁相互作用機(jī)制，磁有序的各種理論，晶體場基本理論。溫故了經(jīng)典Hartree-Fock近似密切相關(guān)的一些量子力學(xué)基本概念，密度泛函理論(density functional theory，DFT)和超晶胞方法。
　　第三章，本章基于泛函密度理論運(yùn)用第一性原理計(jì)算方法，系統(tǒng)性地研究了非金屬元素硼(B)、碳(C)、氮(N)、氧(O)、氟(F)、氯(Cl)、溴(

4、Br)、碘(I)摻雜類石墨烯結(jié)構(gòu)的二硫化鉬(MoS2)單層體系中的電子結(jié)構(gòu)和磁性。計(jì)算表明B、C和N元素取代S摻雜MoS2中的S元素相應(yīng)著p型摻雜，而鹵素元素取代摻雜則是n型的摻雜。C摻雜在MoS2帶隙中引入了一相當(dāng)深且局域化的受主態(tài)，尚未發(fā)現(xiàn)自旋劈裂態(tài)。O摻雜使得MoS2的帶隙明顯變窄，也未發(fā)現(xiàn)自旋劈裂出現(xiàn)。在PBE計(jì)算層面上，除了C和O摻雜的體系外，其他摻雜的MoS2體系均呈現(xiàn)為半金屬特性，且相應(yīng)的都產(chǎn)生了一個(gè)玻爾磁子(1.0μB)

5、的總磁矩。然而，在HSE層次的計(jì)算水準(zhǔn)上，除了Br摻雜的體系仍保持為半金屬特性外，其他體系回歸為磁性半導(dǎo)體性質(zhì)。摻雜激發(fā)的磁矩主要起源與Mo-4d軌道、摻雜元素的p軌道以及S-3p軌道。局域磁矩的形成依賴于摻雜元素周圍的局域結(jié)構(gòu)、Mo-4d軌道的局域性、Mo陽離子的可變價(jià)，以及摻雜元素本身部分填充的p軌道的局域性。
　　第四章，本章基于泛函密度理論，運(yùn)用第一性原理計(jì)算方法，系統(tǒng)性地研究了非磁性金屬元素M=(ⅠA、ⅡA和ⅢA族元素)

6、取代Mo摻雜類石墨烯結(jié)構(gòu)的二硫化鋁(MoS2)單層體的電子結(jié)構(gòu)和磁性。計(jì)算表明ⅠA、ⅡA和ⅢA族元素取代MoS2中的Mo摻雜相應(yīng)著p型摻雜。磁矩的形成依賴于MoS2的晶體場效應(yīng)和Mo-4d軌道的局域性之間的相互作用?？傮w而言，隨著摻雜元素從ⅠA主族元素到ⅢA族元素變化，摻雜的MoS2體系展現(xiàn)出半金屬→自旋無帶隙（或窄帶隙）半導(dǎo)體→鐵磁性半導(dǎo)體的轉(zhuǎn)變。有趣的是通過門電壓實(shí)施電子或空穴的摻雜能實(shí)現(xiàn)摻雜的MoS2的電磁性質(zhì)從鐵磁性半導(dǎo)體到半金

7、屬性質(zhì)的轉(zhuǎn)變。更重要的是自旋極化方向因摻雜載流子的類型不同，是可換向的。圖4.0給出了Al摻雜單層MoS2時(shí)伴隨電子或空穴注入的自旋態(tài)密度。顯然，電子和空穴注入都實(shí)現(xiàn)了半金屬性質(zhì)，且自旋極化方向彼此相反。
　　第五章，本章基于泛函密度理論，運(yùn)用第一性原理計(jì)算方法，我們系統(tǒng)性地探索了Cu摻MX2=(MoS2，MoSe2，MoTe2，和WS2)單層體系中的電子結(jié)構(gòu)和磁性。計(jì)算表明一個(gè)Cu原子取代M能產(chǎn)生5.0或1.0μB大小的磁矩，具

8、體依賴于晶體場劈裂相對自旋劈裂的大小。在MoTe2基質(zhì)中Cu摻雜尚未發(fā)現(xiàn)自發(fā)極化現(xiàn)象。O摻雜使得MoS2的帶隙明顯變窄，也未發(fā)現(xiàn)自旋劈裂出現(xiàn)。在Cu雙摻雜的MX2基質(zhì)中Cu原子周圍的局域結(jié)構(gòu)扭曲削弱了總磁矩大小。對所有的雙摻雜情況，最近鄰Cu原子之間總是鐵磁性耦合。隨著Cu原子距離間隔的增加，它們之間的耦合體現(xiàn)出不同磁性基態(tài):Cu摻雜的MoS2和WS2體系分別展現(xiàn)出反鐵磁性和非鐵磁性基態(tài)。在Cu摻雜的MoSe2中則出現(xiàn)鐵磁性和亞鐵磁性耦