本文選題：低維材料 + 替代摻雜　； 參考：《吉林大學(xué)》2017年博士論文

【摘要】：目前,以石墨烯和MoS_2為代表的二維晶體材料由于其本身獨(dú)特的優(yōu)異性能和潛在的應(yīng)用價(jià)值引起了廣泛的關(guān)注,嘗試用二維半導(dǎo)體材料作為自旋電子學(xué)材料的研究,近幾年來(lái)獲得高度重視和發(fā)展。另外,二維鐵磁性材料可以看成是具有原子厚度的鐵磁性薄膜,將具有大的磁晶各向異性的二維鐵磁性材料用作磁記錄介質(zhì)將會(huì)有助于提高磁記錄的存儲(chǔ)密度。單層Cr S_2和單層Be_2C都是直接帶隙半導(dǎo)體材料,具有良好的穩(wěn)定性,可以作為制備納米自旋電子器件的材料。單層Cr S_2和單層Be_2C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。有關(guān)研究發(fā)現(xiàn),替代摻雜、施加應(yīng)力以及裁剪納米帶等方法可以在二維材料中有效地引入磁性。另外,單層TaTe_2具有內(nèi)秉鐵磁性。更重要的是,Ta具有較強(qiáng)的自旋軌道耦合效應(yīng),這使得單層TaTe_2可能具有大的磁晶各向異性。本論文采用基于密度泛函理論的第一性原理分別計(jì)算研究了過(guò)渡金屬元素和堿土金屬元素的替代摻雜對(duì)單層Cr S_2的電子結(jié)構(gòu)和磁學(xué)性質(zhì)的影響,Be_2C納米帶的電子結(jié)構(gòu)和磁學(xué)性質(zhì),單層TaTe_2的磁晶各向異性以及應(yīng)變對(duì)單層TaTe_2磁晶各向異性的調(diào)控,闡明了其中的物理機(jī)制。本論文主要工作如下:1.系統(tǒng)研究了3d、4d過(guò)渡金屬元素和堿土金屬元素替代Cr摻雜對(duì)單層Cr S_2的電子結(jié)構(gòu)和磁學(xué)性質(zhì)的影響。這些元素包括Ca、Sc、Ti、V、Mn、Fe、Co、Ni、Cu、Zn、Ga、Sr、Y、Zr、Nb、Mo、Ru、Rh、Pd、Ag、Cd和In。結(jié)果表明,在富S的生長(zhǎng)條件下更容易實(shí)現(xiàn)過(guò)渡金屬和堿土金屬原子對(duì)單層Cr S_2中Cr原子的替代摻雜。Nb、Mo、Ru和Rh摻雜不能在單層Cr S_2引入磁性,而Ca、Sc、Ti、V、Mn、Fe、Co、Ni、Cu、Zn、Ga、Sr、Y、Zr、Pd、Ag、Cd和In原子摻雜的單層Cr S_2的基態(tài)是磁性態(tài)。其中,V摻雜單層Cr S_2很容易被熱激發(fā)到自旋非極化態(tài)。此外,計(jì)算顯示摻雜系統(tǒng)的磁矩大小和磁矩分布不僅與摻雜原子的價(jià)電子數(shù)和d軌道占據(jù)數(shù)有關(guān),而且與摻雜原子和它周圍原子的雜化有關(guān)。2.系統(tǒng)研究了Be_2C納米帶的幾何結(jié)構(gòu)、穩(wěn)定性、電子結(jié)構(gòu)和磁學(xué)性質(zhì)。研究的Be_2C納米帶包括N-b-Be_2C-NR-Be、N-a-Be_2C-NR、N-b-Be_2C-NR-Be-Be和N-b-Be_2C-NR-C。其中,N-b-Be_2C-NR-Be、N-a-Be_2C-NR和N-b-Be_2C-NR-Be-Be在室溫下是熱力學(xué)穩(wěn)定的,并且有可能在實(shí)驗(yàn)上制備。氫化能夠減少納米帶N-b-Be_2C-NR-C邊界的C懸鍵,從而極大地提高N-b-Be_2C-NR-C的穩(wěn)定性,計(jì)算表明N-b-Be_2C-NR-C-H在室溫下也是熱力學(xué)穩(wěn)定的。納米帶N-b-Be_2C-NR-Be、N-a-Be_2C-NR和N-b-Be_2C-NR-Be-Be都是直接帶隙的非磁性半導(dǎo)體,帶隙值與邊界結(jié)構(gòu)和納米帶寬度密切相關(guān)。氫化的納米帶N-b-Be_2C-NR-C-H是半金屬并且呈現(xiàn)鐵磁性。N-b-Be_2C-NR-C-H具有較強(qiáng)的同一邊界內(nèi)的鐵磁耦合相互作用,窄的納米帶5-b-Be_2C-NR-C-H具有邊界間的鐵磁相互作用。計(jì)算的態(tài)密度和自旋密度分布顯示,N-b-Be_2C-NR-C-H在同一邊界內(nèi)和兩邊界間的鐵磁耦合與極化電子的p-p雜化相互作用有關(guān)。3.系統(tǒng)研究了在-2%到8%的應(yīng)變作用下單層TaTe_2的電子結(jié)構(gòu)和磁學(xué)性質(zhì),特別是磁晶各向異性。結(jié)果顯示單層TaTe_2是鐵磁性金屬,磁矩主要由Ta原子貢獻(xiàn)。此外,無(wú)應(yīng)變時(shí)單層TaTe_2的單胞磁晶各向異性能高達(dá)-4.72 me V。應(yīng)變能夠極大地增強(qiáng)單層TaTe_2的磁矩、Ta原子之間的鐵磁耦合相互作用以及磁晶各向異性能。特別地,與無(wú)應(yīng)變時(shí)相比,8%的拉伸應(yīng)變能夠使單層TaTe_2的磁晶各向異性能增加165%。通過(guò)分析態(tài)密度和Ta原子d軌道間的自旋軌道耦合相互作用對(duì)磁晶各向異性能的貢獻(xiàn),我們發(fā)現(xiàn):單層TaTe_2大的面內(nèi)磁晶各向異性能主要由Ta原子自旋相反的dxy和dx2-y2軌道間的自旋軌道耦合相互作用所貢獻(xiàn),并且在應(yīng)變作用下這一貢獻(xiàn)顯著地增加,這就是應(yīng)變能夠提高單層TaTe_2磁晶各向異性能的主要原因。
[Abstract]:At present, two dimensional crystal materials, such as graphene and MoS_2, have attracted wide attention due to their unique excellent properties and potential application value. The study of two dimensional semiconductor materials as spintronics materials has been paid great attention and developed in recent years. Ferromagnetic thin films with atomic thickness, which will have large magnetocrystalline anisotropic two-dimensional ferromagnetic materials as magnetic recording medium, will help to improve the storage density of magnetic recording. Single layer Cr S_2 and single layer Be_2C are direct bandgap semiconductors, with good stability and can be used as materials for preparation of nano spintronic devices. Single layer C R S_2 and single layer Be_2C are intrinsic nonmagnetic. In order to effectively apply them to nano spintronic devices, it is necessary to introduce controllable magnetic properties in them. The study found that substitution, applied stress and trimming of nanometers can effectively induce magnetic properties in two-dimensional materials. In addition, the monolayer TaTe_2 has internal ferromagnetism. More importantly, Ta has a strong spin orbit coupling effect, which makes the monolayer TaTe_2 possibly have a large magnetocrystalline anisotropy. This paper uses the first principle based on the density functional theory to calculate the electronic structure and magnetic properties of the transition metal and alkaline earth metal elements to the single layer Cr S_2. The electronic structure and magnetic properties of Be_2C nanoribbons, the magnetocrystalline anisotropy of single layer TaTe_2 and the regulation of strain on the single TaTe_2 magnetocrystalline anisotropy are clarified. The main work of this thesis is as follows: 1. the 3D, 4D transition metal element and alkaline earth metal element instead of Cr doped to the single layer Cr S_2 have been studied in this paper. These elements, including Ca, Sc, Ti, V, Mn, Fe, Co, Ni, Cu, Zn, Ga, show that the transition metal and alkaline earth atoms are more likely to be substituted for the substitution of the transition metal and alkaline earth atoms on the monolayer. Sc, Ti, V, Mn, Fe, Co, Ni, Cu, Zn, Ga, Sr, Y, Y, and atoms are magnetically excited to the spin non polarizing state. Furthermore, the calculation shows that the magnetic moment and magnetic moment distribution of the doping system are not only related to the valence electrons and the occupancy of the orbital atoms of the doped atom, but also The.2. system studies the geometric structure, stability, electronic structure and magnetic properties of the Be_2C nanoribbons. The Be_2C nanbands of the study include N-b-Be_2C-NR-Be, N-a-Be_2C-NR, N-b-Be_2C-NR-Be-Be and N-b-Be_2C-NR-C., and N-b-Be_2C-NR-Be, N-a-Be_2C-NR and N-b-Be_2C-NR-Be-Be are at room temperature. It is thermodynamic stable and may be prepared experimentally. Hydrogenation can reduce the C suspension bond of the nanband N-b-Be_2C-NR-C boundary, thus greatly improving the stability of N-b-Be_2C-NR-C. The calculation shows that N-b-Be_2C-NR-C-H is also thermodynamically stable at room temperature. The nano band N-b-Be_2C-NR-Be, N-a-Be_2C-NR and N-b-Be_2C-NR-Be-Be are both direct bands. Nonmagnetic semiconductors with gap, the band gap is closely related to the boundary structure and the width of the nanoscale band. The hydrogenated nanoscale N-b-Be_2C-NR-C-H is semi metal and ferromagnetic.N-b-Be_2C-NR-C-H has a strong ferromagnetic coupling interaction within the same boundary, and the narrow nanoscale 5-b-Be_2C-NR-C-H has the ferromagnetic interaction between the boundary. The distribution of state density and spin density shows that the ferromagnetic coupling between N-b-Be_2C-NR-C-H in the same boundary and between the two sides of the.3. system is related to the P-P hybrid interaction of the polarized electrons. The.3. system has studied the electronic structure and magnetic properties of the monolayer TaTe_2 under the strain of -2% to 8%, especially the magnetocrystalline anisotropy. The results show that the monolayer TaTe_2 is ferromagnetic. In addition, the single cell magnetocrystalline anisotropy of a single layer of TaTe_2 in the absence of strain is up to -4.72 me V. strain, which can greatly enhance the magnetic moment of the single layer TaTe_2, the ferromagnetic coupling interaction between the Ta atoms and the magnetocrystalline anisotropy. In particular, the tensile strain of 8% can make the single strain of the single strain 8% The magnetocrystalline anisotropy of the layer TaTe_2 increases the contribution of 165%. to the magnetocrystalline anisotropy by the analysis of the density of States and the spin orbit coupling interaction between the Ta atom D orbits. We find that the magnetocrystalline anisotropy of the single layer TaTe_2 is mainly composed of the spin orbit coupling interaction between the Ta atoms spin opposite DXY and the dx2-y2 orbit. The contribution and contribution of strain increase significantly. This is the main reason why strain can enhance the anisotropy of single crystal TaTe_2.

【學(xué)位授予單位】：吉林大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2017
【分類號(hào)】：O469

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本文編號(hào)：1825052