自從石墨烯的實驗發(fā)現(xiàn)以來,近年見證了二維材料的蓬勃發(fā)展。除了石墨烯以外,例如黑磷烯、硼烯和過渡金屬二硫化物的二維材料體現(xiàn)出很多新穎的物理性質(zhì),這些是它們對應(yīng)的體相里沒有的。在本論文中,我們在GaTeCl單層、PdSe₂單層、Mo₆Br₆S₃單層和BiTeI單層里討論了鐵電性、鐵磁性、遷移率和自旋軌道耦合效應(yīng)。通過第一性原理研究,我們提出GaTeCl單層是一種優(yōu)異的二維多鐵體材料。聲子譜、分子動力學(xué)模擬和彈性模量證實它的動力學(xué)穩(wěn)定性與力學(xué)穩(wěn)定性,而且我們對剝離能量的分析顯示,從已存在的GaTeCl體相中剝離出一個GaTeCl單層是可行的。我們計算得到的其面內(nèi)極化達(dá)到578 p C m^-1。鐵彈性90度旋轉(zhuǎn)和鐵電性翻轉(zhuǎn)相變的勢壘分別達(dá)到476 me V和754 me V（每化學(xué)式單胞）,是目前二維多鐵性體系里最大的。重要的是,垂直于極化方向的4.7 N m^-1單軸拉伸應(yīng)力就可以驅(qū)動極化方向的90度旋轉(zhuǎn)。這些使得GaTeCl單層不僅有穩(wěn)定的鐵彈性和鐵電性,而且是... 

【文章來源】：中國科學(xué)院大學(xué)(中國科學(xué)院物理研究所)北京市

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【學(xué)位級別】：博士

【部分圖文】：

石墨烯的結(jié)構(gòu)與能帶圖注（）石墨與（）石墨烯的結(jié)構(gòu)

新型二維半導(dǎo)體的第一性原理研究擬合費米能級附近的能帶可以得出石墨烯的最近鄰原子之間躍遷能量為2.7eV，費米速度為1×106ms1[4]。由于狄拉克電子的贗自旋守恒，石墨烯可以在n–p–n結(jié)里體現(xiàn)出Klein隧穿[25,26]，也可以在p–n結(jié)里展現(xiàn)出電子負(fù)折射特征[27]。將石墨烯放在具有高介電常數(shù)的SrTiO3基底上，因為電子–電子相互作用被屏蔽，石墨烯只需1T的磁場就可以實現(xiàn)螺旋邊緣輸運[28]。在非線性光學(xué)方面，實驗上可以在石墨烯里實現(xiàn)高階光學(xué)諧波生成[29]。圖1.2扭轉(zhuǎn)雙層石墨烯圖注（a）典型扭轉(zhuǎn)雙層石墨烯器件和四極測量的圖示。（b）兩個器件M1和M2測得的四極電阻。（c）在=1.05°角度的扭轉(zhuǎn)雙層石墨烯在超晶格第一小布里淵區(qū)的能帶。（d）則是對應(yīng)的態(tài)密度。（e）器件M2的電流–電壓曲線[11]。Figure1.2TwistedbilayergrapheneNote:(a)Schematicofatypicaltwistedbilayergraphenedeviceandthefour-probemeasurementscheme.(b)Four-proberesistancemeasuredintwodevicesM1andM2.(c)Thebandenergyoftwistedbilayergrapheneat=1.05°inthefirstminiBrillouinzoneofthesuperlattice.(d)Thecorrespondingdensityofstates.(e)Current–voltagecurvesfordeviceM2[11].最近，實驗上成功制備出扭轉(zhuǎn)極小角度（1度左右）的雙層石墨烯[11,30]，2

第1章引言發(fā)現(xiàn)費米能級附近出現(xiàn)了平帶，驗證了MacDonald等人的理論模型結(jié)果[31]，并且經(jīng)過載流子摻雜后，體系中誘導(dǎo)出非常規(guī)超導(dǎo)，如圖1.2所示[11]。這實驗工作極大推動了低維體系扭轉(zhuǎn)電子學(xué)的發(fā)展，人們之后研究了扭轉(zhuǎn)WSe2/MoSe2雙層的Hubbard物理[32]、扭轉(zhuǎn)雙層MoS2半導(dǎo)體的平帶[33]、扭轉(zhuǎn)雙層MoTe2的拓?fù)湫再|(zhì)[34]和扭轉(zhuǎn)雙層石墨烯的光驅(qū)動Floquet調(diào)節(jié)[35]等。1.1.2過渡金屬硫化物單層圖1.3單層二硫化鉬圖注（a）體相2H-MoS2的單胞，有位于中間面上的反演中心。它由兩個MoS2單層的單胞組成，單層缺少反演中心。（b）MoS2單層的俯視圖。R是Mo原子到其最近鄰Mo原子的矢量。（c）能帶結(jié)構(gòu)在K點的能帶邊的圖示[36]。Figure1.3MoS2monolayerNote:(a)Theunitcellofbulk2H-MoS2,whichhastheinversioncenterlocatedinthemiddleplane.ItcontainstwounitcellsofMoS2monolayers,whichlacksaninversioncenter.(b)TopviewoftheMoS2monolayer.RarethevectorsconnectingnearestMoatoms.(c)SchematicdrawingofthebandstructureatthebandedgeslocatedattheKpoints[36].近年來，過渡金屬硫化物單層成為二維材料的熱門研究領(lǐng)域之一，下面以MoS2為代表，先介紹MoS2單層的主要物理性質(zhì)。MoS2體相是層狀范德瓦爾斯材料，單胞由兩層組成，如圖1.3所示。MoS2從多層變成單層時，原先的間接3


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