【摘要】：近年來,稀磁半導(dǎo)體由于在自旋器件等方面的潛在應(yīng)用價(jià)值受到人們的關(guān)注。以硒化錫(SnSe)為代表的稀磁半導(dǎo)體具有電子電荷和自旋的雙重特性,在未來的微納米器件和自旋電子器件的設(shè)計(jì)制作方面具有廣泛的應(yīng)用前景。二維稀磁半導(dǎo)體較之三維體系具有易摻雜、磁性易調(diào)制、居里溫度高等優(yōu)點(diǎn)。對于二維半導(dǎo)體來說,利用攜帶磁性的過渡金屬原子(TM)摻雜是有效引入穩(wěn)定磁矩的方法。所引入的磁矩通常具有可調(diào)制的特征,而且對應(yīng)磁性系統(tǒng)的居里溫度較高。本文采用基于密度泛函理論的第一性原理計(jì)算方法,系統(tǒng)研究釩、鉻、錳、鐵、鈷、鎳六種3d過渡金屬原子摻雜形成的稀磁半導(dǎo)體的磁性機(jī)理及其調(diào)控機(jī)制。我們的研究結(jié)果表明當(dāng)過渡金屬吸附在單層硒化錫表面時(shí),Hollow位為最穩(wěn)定的吸附位置;當(dāng)過渡金屬替換Se原子時(shí),摻雜的TM與鄰近的五個(gè)Sn原子成鍵,形成C4v點(diǎn)群對稱性的四方錐結(jié)構(gòu);替換Sn原子時(shí),釩、鉻、錳與鄰近的五個(gè)Se原子成鍵,形成了 C4v點(diǎn)群對稱性的四方錐結(jié)構(gòu),而鐵、鈷、鎳與鄰近的三個(gè)Se原子成鍵,形成了 C3v點(diǎn)群對稱性的三角錐形結(jié)構(gòu)。通過缺陷形成能分析我們發(fā)現(xiàn)TM替位Sn(TM@Sn)為能量最優(yōu)的摻雜系統(tǒng)。而且,在Co@Sn和Ni@Se體系中,形成了一個(gè)淺受主能級,分別位于0.03 eV,0.015 eV能量位置處。這說明Co@Sn和Ni@Se的半導(dǎo)體特性可以在室溫調(diào)劑下激活,從而形成有效的p型半導(dǎo)體。以最穩(wěn)定系統(tǒng)TM@Sn為例,我們詳細(xì)研究了硒化錫稀磁半導(dǎo)體的磁性特征及其調(diào)制。我們發(fā)現(xiàn)TM@Sn表現(xiàn)為高自旋極化的穩(wěn)定基態(tài),其磁矩主要來源于TM自旋極化的3d態(tài)電子。我們利用晶場劈裂和自旋交換劈裂模型詳細(xì)分析了TM-3d軌道的雜化。我們發(fā)現(xiàn)在TM@Sn中TM原子的電子排列滿足洪特定則,形成高自旋極化的電子組態(tài)。因此,對應(yīng)磁矩分別為3μB、4μB、5μB、4μB、4μB和2μB。我們的研究還表明外加電場因?yàn)楦淖兞?TM與周邊原子的相對位置而影響了 3d軌道的晶場劈裂,所以實(shí)現(xiàn)了對TM@Sn自旋基態(tài)的調(diào)制。特別是,在Fe@Sn系統(tǒng)中,當(dāng)外加電場達(dá)到0.4eV/A時(shí)缺陷處的局域結(jié)構(gòu)從C3v的三角結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變?yōu)镃4v的四方錐結(jié)構(gòu),晶場劈裂發(fā)生明顯變化,從而實(shí)現(xiàn)了從“自旋開(S=2)”向“自旋關(guān)(S=0)”的轉(zhuǎn)變。
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圖１．１實(shí)驗(yàn)制備得到的石墨烯１６］逡逑

大的電流開關(guān)比值，而這個(gè)特性恰恰是邏輯電器領(lǐng)域所要求的，這大大的局限了逡逑其應(yīng)用。逡逑ａｓ逡逑圖１．１實(shí)驗(yàn)制備得到的石墨烯１６］逡逑早期人們解決的辦法是想通過修飾石墨烯的電子結(jié)構(gòu)來得到一個(gè)穩(wěn)定的能逡逑隙，但是卻又引入了一些問題，比如通過吸氫雖然可以得到一個(gè)５．４ｅＶ的能隙，逡逑石墨烯卻因?yàn)闅浠鴨适Я似浞�(wěn)定性［１７１用Ｎ等輕元素?fù)诫s可以得到一個(gè)０．７ｅＶ逡逑的能隙，石墨烯的晶格對稱卻遭到了破壞在這種思路下，人們聯(lián)想到了自逡逑然界中其它的二維層狀材料。盡可能的在自然界中尋找具備半導(dǎo)體能帶結(jié)構(gòu)的材逡逑料，，人們成功制備了以磷烯和二維過渡金屬化合物等為代表的一系列二維半導(dǎo)體逡逑材料［１７］（如圖Ｕ所示）。這些二維材料都具有非零帶隙，克服了石墨烯電子結(jié)構(gòu)逡逑中天然零帶隙的缺點(diǎn)，這些成果都使人們看到了突破鞋電子學(xué)瓶頸的可能性。逡逑１嫇＿逡逑[玨澹蟈義希蹋模齲渝澹義�？Ｓz荊㈠義稀觥瘇枮禐鑯枺哄義賢跡保捕嘀?jǐn)S嗍┒牧襄義希插義

本文編號：2636992