论文部分内容阅读
继石墨烯、过渡金属二硫化物等原子层厚度的二维材料后,黑磷及同族的锑烯受到广泛的关注。黑磷电子迁移率高,并且是直接带隙半导体,而锑烯填补了带隙为2.0 eV左右的二维半导体的空白。通过掺杂、界面复合等手段去调控新型二维材料的电子结构在基础理论和应用研究中具有重要的意义。本文利用密度泛函理论计算了黑磷和锑烯的电子结构,主要包括两部分:(1)黑磷掺杂非磁性原子(B、C、N、O、F、S、Se)的电子结构及黑磷/CrO2界面的电子结构;(2)锑烯掺杂3d过渡金属原子(Sc、Ti、V、Cr、Mn、Fe、Co、Ni、Cu、Zn)、空位缺陷的锑烯、锑烯/Co界面的电子结构。通过计算黑磷掺杂不同非磁性原子的电子结构,发现O、S、Se掺杂导致黑磷产生磁性;O导致黑磷成为自旋无带隙半导体;S、Se导致黑磷变成半金属;B和F分别导致黑磷成为n和p型半导体;C掺杂使黑磷金属化;N对黑磷几乎没有影响;黑磷掺杂两个O原子的磁性和电性与掺杂原子位置及相对距离有关。通过计算黑磷/CrO2界面的电子结构,发现黑磷/CrO2界面相互作用很弱,类似范德瓦尔斯异质结,电荷从黑磷向CrO2转移,导致黑磷p型掺杂;黑磷仅是费米面下移,能带结构的特征保持不变,CrO2也保持了半金属性。通过计算锑烯掺杂3d过渡金属原子(TM)的电子结构,发现Sc掺杂体系最稳定;TM的d轨道和Sb原子的p轨道杂化作用导致Ti、V、Cr、Mn和Fe掺杂体系中产生磁性,其中Ti、V和Mn掺杂体系表现半金属特性;Cr掺杂导致锑烯变成带隙为0.63 eV的自旋极化半导体;Sc、Co、Ni、Cu和Zn掺杂体系没有磁性,其中Sc和Co掺杂体系保持半导体性质;其它原子均导致锑烯表现金属特性;磁性体系中的磁基态与掺杂原子的相对距离有关。通过计算单空位和双空位锑烯的电子结构,发现单空位锑烯表现出金属性;双空位模型保持半导体性质,其带隙值大小与两个空位之间的距离有关系;在锑烯的单空位和两个双空位模型中,面内的空间反演不对称性和自旋轨道耦合作用会共同导致自旋劈裂。通过计算锑烯/Co界面的电子结构,发现由于锑烯Sb的p轨道和Co的d轨道杂化作用导致锑烯金属化。在1H界面中,锑烯出现12%的自旋极化率,在界面处出现肖特基势垒;势垒高度与界面模型有关,并且随着锑烯层数的增加,势垒高度降低。