金属改性二维SnO电子结构及其物理性能调控研究

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二维材料在开发下一代高性能电子器件方面有着广阔的应用前景,二维一氧化锡材料由于其双极性电子行为引起了越来越多研究者们的关注。一氧化锡是一种亚稳态金属氧化物半导体,在[0 0 1]方向上是按Sn-O-Sn顺序排列的层状结构,其中锡原子的5s轨道上的电子不参与键合过程并形成孤对电子。在一氧化锡中,这对孤对电子指向层间距,具有偶极-偶极相互作用。由于在单层一氧化锡中,偶极-偶极相互作用的缺乏对电子结构具有很大影响,并且宽带隙使其具有额外的潜在应用。本文通过金属改性二维一氧化锡的电子结构,并对其物理性能进行了调控研究。主要内容如下:(1)范德瓦尔斯异质结构中的强磁界面耦合对设计新型电子器件具有重要意义。除了研究最多的过渡金属二硫族化合物材料外,我们发现了二维四方d~0金属氧化物中的自旋轨道耦合可以通过Eu Br O的磁近邻效应来激活一氧化锡中的谷劈裂。在Sn O/Eu Br O异质结构中,Sn O的谷劈裂可达到~46 me V,与许多TMDCs材料相当,相当于施加了~800 T的外磁场。通过对态密度的研究,发现由于原子轨道之间的杂化,使得Sn O中的孤对电子态变得不稳定。(2)研究了通过调整层间距和施加单轴应变对Sn O/Eu Br O异质结构的谷劈裂进行调控,发现谷劈裂值与层间距的大小呈负相关。此外,谷劈裂值随着应变大小的改变一直保持在39~53 me V的高值范围,说明了谷劈裂对应变的稳定性好。因此我们提出了一种基于Sn O/Eu Br O这种独特电子结构的新型自旋电子器件的设计原理。该研究结果表明,一氧化锡在未来能谷电子学应用领域是一种很有前途的材料。(3)通过第一性原理模拟计算的手段,使用铅原子对二维一氧化锡结构进行改性,并对改性之后的Janus二维Sn Pb O2的电子结构进行了系统的研究。计算结果表明Sn Pb O2是一种稳定的Janus结构,而且由于其空间反演对称性的破缺,在价带顶处产生了较大的自旋劈裂(67 me V)。这种自旋劈裂大于室温的热波动以及某些其他二维系统。此外,通过应变(82 me V)或空穴掺杂(147 me V)可以进一步增强该自旋劈裂。更重要的是,在价带顶处除了Rashba态之外没有其他电子态,这使得它非常适合实际应用。我们的研究为调控一氧化锡的电子结构提供了新的思路,也为在这个有趣的二维系统中进行自旋操控提供了可行性。
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