本文選題：二維半導(dǎo)體　切入點：空位　出處：《吉林大學(xué)》2016年博士論文　論文類型：學(xué)位論文

【摘要】：磁性半導(dǎo)體同時具有鐵磁性和半導(dǎo)體的性質(zhì),并能很好地與半導(dǎo)體工藝兼容,是操控半導(dǎo)體中電子自旋自由度、從而使自旋電子學(xué)原理和功能直接在半導(dǎo)體中實現(xiàn)的一類理想材料。以石墨烯為代表的二維晶體材料由于其本身獨特的優(yōu)異性能和潛在的應(yīng)用價值引起了廣泛的關(guān)注,嘗試用石墨烯作為碳基自旋電子學(xué)材料的研究,近幾年來獲得高度重視和發(fā)展。但是單層石墨烯的零帶隙限制了其在納米電子器件中的實際應(yīng)用。目前制備出的單層MoS2、單層磷烯和單層TiS3都是有帶隙的二維半導(dǎo)體。相比于石墨烯,有帶隙的單層MoS2、單層磷烯以及單層TiS3可能更適合作為制備納米自旋電子器件的材料。單層MoS2、單層磷烯以及單層TiS3是內(nèi)稟非磁性的,為使它們有效地應(yīng)用于納米自旋電子器件,需要在其中引入可調(diào)控的磁性。因此探索在單層二維晶體材料中有效地產(chǎn)生磁性是凝聚態(tài)物理磁學(xué)研究領(lǐng)域的熱點問題之一。有關(guān)研究發(fā)現(xiàn),替代摻雜、缺陷、吸附及施加應(yīng)力等方法可以使非磁性的半導(dǎo)體材料產(chǎn)生磁性。本論文采用基于密度泛函理論的第一性原理計算研究了空位、反位缺陷和應(yīng)力,非金屬元素的替代摻雜以及過渡金屬元素的替代摻雜分別對單層MoS2、單層磷烯和藍(lán)磷烯以及單層TiS3的結(jié)構(gòu)、電子結(jié)構(gòu)和磁性的影響。本論文的主要工作如下：1.計算研究了實驗觀測的空位缺陷VS,VS2,VMoS3和VMoS6及反位缺陷S2Mo和MoS2對單層MoS2結(jié)構(gòu)、電子結(jié)構(gòu)和磁性的影響、應(yīng)變對含有上述空位和反位缺陷的單層MoS2結(jié)構(gòu)、電子結(jié)構(gòu)和磁性的調(diào)控。結(jié)果表明,由于缺陷周圍或缺陷處的原子分別形成了Mo-Mo金屬鍵、S-S共價鍵、Mo-S共價鍵,或原有Mo-S共價鍵的增強(qiáng),含有VS,VS2,VMoS3,S2Mo及MoS2的單層MoS2體系是非磁性的。不同的是,在單層MoS2中,VMoS6產(chǎn)生了6.0μB的磁矩,磁矩主要來源于VMoS6周圍Mo原子的4d軌道；對含有VS,VS2,VMoS3,S2Mo及MoS2的單層MoS2施加拉伸應(yīng)力,導(dǎo)致缺陷周圍或缺陷處的原子所成的鍵逐漸減弱,當(dāng)應(yīng)變達(dá)到一定值時,這些鍵斷開或繼續(xù)減弱,導(dǎo)致缺陷周圍或缺陷處的原子產(chǎn)生了未成鍵的電子,進(jìn)而產(chǎn)生磁性。對含有VMoS6缺陷的單層MoS2,拉伸應(yīng)力使VMoS6周圍的Mo-Mo金屬鍵減弱甚至斷開,從而導(dǎo)致磁矩增大,而壓縮應(yīng)變可以使其磁矩減小,當(dāng)應(yīng)變?yōu)?12%時,磁矩減小為零。2.計算研究了非金屬元素的替代摻雜對單層磷烯和藍(lán)磷烯的結(jié)構(gòu)、電子結(jié)構(gòu)和磁性的影響。結(jié)果表明,電中性的H,F,Cl,Br,I,B,N,As,C,Si,O,S和Se摻雜的單層磷烯以及F,Cl,B,N,C,Si和O摻雜的藍(lán)磷烯是穩(wěn)定的。由于摻雜原子及其周圍的P原子不存在未配對的價電子,H,F,Cl,Br,I,B,N,As或穩(wěn)定的C-,Si-,S+,Se+摻雜的單層磷烯以及F,Cl,B和N摻雜的藍(lán)磷烯體系都是非磁性的。不同的是,由于摻雜原子或者摻雜原子周圍的P原子存在未配對的價電子,C,Si,O,S,Se摻雜的單層磷烯以及C,Si,O摻雜的藍(lán)磷烯產(chǎn)生了1.0μB的磁矩,磁矩主要來源于摻雜原子或其周圍P原子的p軌道。并且,由于p-p雜化相互作用,兩個替代的Si,O,S,Se在單層磷烯及兩個替代的C,Si,O在藍(lán)磷烯中產(chǎn)生的磁矩間的耦合均為長程反鐵磁耦合。而兩個替代的C在單層磷烯中產(chǎn)生的磁矩間的磁耦合非常弱。3.計算研究了過渡金屬Sc,V,Cr和Mn替代摻雜的單層TiS3的結(jié)構(gòu)、電子結(jié)構(gòu)和磁性。結(jié)果表明,Sc,V,Cr和Mn摻雜的單層TiS3都是穩(wěn)定的,并且,在富S條件下更容易實現(xiàn)Sc,V,Cr和Mn對單層TiS3中Ti的替代摻雜。對于Sc摻雜的單層TiS3,由于費米能級處的能帶具有較強(qiáng)的非局域性,因而Sc摻雜的單層TiS3是非磁性的。而對于V,Cr,Mn摻雜的單層TiS3,摻雜原子V,Cr,Mn比Ti原子分別多1,2和3個未配對的價電子,這些未配對的價電子分別產(chǎn)生1.0,2.0和3.0μB的磁矩。磁矩主要來源于摻雜V,Cr,Mn原子的3d軌道,其周圍S原子的3p軌道和Ti原子的3d軌道也有部分貢獻(xiàn)。更為重要的是,兩個摻雜的V和Mn原子產(chǎn)生的磁矩間存在長程的鐵磁耦合,而兩個摻雜的Cr原子在單層TiS3中產(chǎn)生的磁矩間的耦合為長程的反鐵磁耦合。因此,我們預(yù)測可通過在單層TiS3中摻雜V和Mn來實現(xiàn)在單層TiS3中引入室溫鐵磁性。
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【學(xué)位授予單位】：吉林大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類號】：O469

【參考文獻(xiàn)】

相關(guān)期刊論文 前3條

1 Xue-Qing Wang;Wei-Guang Chen;Zhi-Li Zhu;Yu Jia;;Electronic and Magnetic Properties Modulated by Adsorption of 3d Transition Metal Atoms in Monolayer and Bilayer MoS_2 Sheets[J];Acta Metallurgica Sinica(English Letters);2015年06期

2 譚興毅;王佳恒;朱yNyN;左安友;金克新;;碳、氧、硫摻雜二維黑磷的第一性原理計算[J];物理學(xué)報;2014年20期

3 趙建華;鄧加軍;鄭厚植;;稀磁半導(dǎo)體的研究進(jìn)展[J];物理學(xué)進(jìn)展;2007年02期

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本文編號：1593731