新型二維半導(dǎo)體材料的電子和磁性調(diào)控.pdf

1、當(dāng)材料的尺寸接近或小于電子運(yùn)動(dòng)的特征長度時(shí)，由于量子限域效應(yīng)，材料的性質(zhì)會(huì)十分依賴于尺寸和形狀。近年來，在低維納米材料中發(fā)現(xiàn)了大量新奇的物理現(xiàn)象。隨著大量新型低維半導(dǎo)體材料的成功制備，及其在電子器件，自旋電子器件，催化以及化學(xué)或生物探測器等實(shí)際應(yīng)用中的巨大潛力。調(diào)制二維納米材料的物理和化學(xué)性質(zhì)成為了非常重要的工作，以適用在不同的應(yīng)用領(lǐng)域中。目前已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了多種有效的調(diào)控手段，例如：裁剪、化學(xué)修飾、應(yīng)變、電場、缺陷或摻雜等都被證明可以作為有

2、效調(diào)控材料電子性質(zhì)和磁性的有效方法。本論文運(yùn)用基于密度泛函理論的第一性原理方法研究了Ⅳ,Ⅴ族基二維半導(dǎo)體單層材料的電子、磁性及穩(wěn)定性的調(diào)控，及其在不同調(diào)控方法下的感應(yīng)特征，給出了廣義的調(diào)控方法用于指導(dǎo)不同類型的低維半導(dǎo)體的電子和磁性行為的調(diào)控，為新型低維半導(dǎo)體設(shè)計(jì)和高速電子器件的發(fā)展提供理論研究基礎(chǔ)。
　　論文包含六部分內(nèi)容。第一章主要介紹了當(dāng)前二維半導(dǎo)體材料的研究進(jìn)展,詳細(xì)介紹了繼石墨烯之后新發(fā)現(xiàn)的幾種新型二維半導(dǎo)體材料的相關(guān)性

3、質(zhì)，調(diào)控手段及制備方法。第二章對密度泛函理論和本論文采用的基于密度泛函理論的第一性原理計(jì)算軟件VASP軟件包進(jìn)行了簡單介紹。從第三章至第五章介紹了用密度泛函理論對化學(xué)修飾，應(yīng)變及空位摻雜對Ⅳ,Ⅴ族基低維半導(dǎo)體納米材料電子，磁性和穩(wěn)定性的調(diào)控。最后在第六章對研究內(nèi)容做了總結(jié)并進(jìn)行了展望。主要研究內(nèi)容包括：
　?。?）利用第一性原理計(jì)算方法，我們研究了鋸齒型 g-CN納米帶（Zg-CNNRs）兩個(gè)邊界用單氫和雙氫不對稱鈍化后的電子特性

4、和磁性。結(jié)果雙氫鈍化在納米帶邊界引入了相當(dāng)局域的磁性，磁矩局域在納米帶邊界的 CN環(huán)的N原子上，并呈N-pz軌道特性。而單氫鈍化的邊界沒有磁性。歸因于一個(gè)氫原子剛好鈍化掉邊界上的懸鍵電子，導(dǎo)致磁性消失。而雙氫原子帶來一個(gè)額外的電子被 Zg-CNNRs上電負(fù)性比較強(qiáng)的 N原子捕獲，占據(jù)了導(dǎo)帶中的 N-pz軌道。從而形成局域在邊界CN環(huán)的三個(gè)N原子上表現(xiàn)出pz軌道特性的磁矩。我們詳細(xì)研究了鐵磁和反鐵磁的機(jī)制，發(fā)現(xiàn)鐵磁比反鐵磁稍微更穩(wěn)定，并把

5、鐵磁穩(wěn)定性歸因于Mielke和Tasaki關(guān)于鐵磁穩(wěn)定性的平帶模型。而反鐵磁則由超交換相互作用模型解釋。
　　為了提高鐵磁與反鐵磁之間的能量差（僅約3 meV），我們嘗試了一系列不同的鈍化，并發(fā)現(xiàn)納米帶上的N原子不僅可以通過捕獲外來電子產(chǎn)生磁矩，也可以失去電子。用電負(fù)性更強(qiáng)的 O原子來鈍化納米帶邊界，使氧原子可以從Zg-CNNRs價(jià)帶上捕獲電子，從而使納米帶上的磁性顯示出N-(px, py)特性。并通過使用不同的原子對稱或不對稱鈍

6、化 Zg-CNNRs，提高了鐵磁穩(wěn)定性。并提出了提高Zg-CNNRs上鐵磁穩(wěn)定性和調(diào)制磁矩分布的一般方法。最后我們通過計(jì)算體系的形成能以及環(huán)境化學(xué)勢下的吉布斯自由能來討論了不同鈍化的穩(wěn)定性，并確定了各種鈍化的穩(wěn)定范圍。更為重要的是，我們發(fā)現(xiàn)不論邊界被氫、氧或氟原子鈍化，費(fèi)米能級附近完全由自旋向下的電子態(tài)控制。這種本征特性源于材料的VBM是由非成鍵的N-(px,py)軌道組成，而不是C/N-pz軌道形成的成鍵π態(tài)貢獻(xiàn)。
　　（2）在

7、黑磷納米帶（PNRs）上引入磁性對于其在實(shí)際中的應(yīng)用十分重要。然而現(xiàn)有的研究發(fā)現(xiàn)，邊界上的Peierls相變以及邊界重構(gòu)極大地限制了納米帶邊界上磁性的產(chǎn)生，最基本的問題在于邊界的不穩(wěn)定性。受到鋸齒型石墨烯納米帶上邊界磁性的啟發(fā)，我們設(shè)計(jì)出氧鈍化的沿對角線切割形成的磷烯納米帶（O-d-PNRs）。邊界上懸鍵的特殊排列使得邊界上懸鍵間距比鋸齒型和扶手椅型黑磷納米帶中的懸鍵間距大，從而減弱了懸鍵之間的相互作用，獲得穩(wěn)定的納米帶邊界，進(jìn)而在納米

8、帶上引入穩(wěn)定的磁性。首先比較了三種不同方向的黑磷納米帶在相近的寬度下，形成能的大小。結(jié)果顯示 d-PNRs與z-PNRs和a-PNRs相比，穩(wěn)定性非常接近。另外，通過將氧原子修飾到納米帶邊界上，我們研究了納米帶與氧之間的結(jié)合能，檢查了氧鈍化 d-PNRs（O-d-PNRs）的穩(wěn)定性。
　　總體來說，我們對外應(yīng)力下O-d-PNRs上磁性演變和應(yīng)力效應(yīng)的詳細(xì)研究，并在完全弛豫的 O-d-PNRs上實(shí)現(xiàn)了穩(wěn)定的自旋極化，并且自旋極化現(xiàn)象

9、對應(yīng)力調(diào)控非常敏感。并且發(fā)現(xiàn)在拉應(yīng)力和有限的壓應(yīng)力下，相反邊界之間的反鐵磁耦合是相當(dāng)穩(wěn)定的。另外，在外加壓應(yīng)力超過–4％時(shí)，出現(xiàn)了不可逆的反常Wilson相變。更重要的是，壓應(yīng)力下出現(xiàn)的金屬相比無外應(yīng)力下的反鐵磁相反常的更為穩(wěn)定。我們詳細(xì)地研究了相關(guān)的穩(wěn)定機(jī)制，并把這些反?，F(xiàn)象歸因于幾何結(jié)構(gòu)和電子結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變共同作用下的結(jié)果：應(yīng)力下所產(chǎn)生的金屬相由從AFM0相中CB和VB2兩個(gè)帶上沿著納米帶方向上的非鍵軌道變?yōu)槌涉I軌道，并從 VB1帶上同樣

10、沿著納米帶方向上的反鍵軌道變?yōu)榉擎I軌道，而變得更穩(wěn)定。而從六角結(jié)構(gòu)到類正交結(jié)構(gòu)的剪切形變起到了同樣的作用。致使壓應(yīng)力下產(chǎn)生的新的金屬基態(tài)比半導(dǎo)體相更穩(wěn)定。
　　（3）我們研究了一系列3d過渡金屬原子嵌套在g-CN孔洞內(nèi)對其幾何結(jié)構(gòu)、電子和磁學(xué)性質(zhì)的影響，發(fā)現(xiàn)大部分磁矩都集中在過渡金屬原子上，并在g-CN表面上引入相當(dāng)一部分的的磁性，彌散在g-CN的表面上,并表現(xiàn)出pz軌道的特性。體系磁矩的大小隨著過渡金屬最外層3d電子數(shù)目的不同而