双层1T-TaS2旋转堆垛结构的电子性质

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1T-TaS2由于具有丰富的电荷密度波(CDW)相变行为,使其成为制作压控振荡器和超快易失性存储器等电子器件的最佳候选材料之一。不同于单层和块体,双层1T-TaS2可以通过调节层间相互用来调控体系的电子性质。旋转堆垛作为调节层间相互作用的一种有效手段,近年来得到了广泛关注,比如改变双层石墨烯的光响应特性和诱导其产生超导电性等。本论文采用第一性原理计算方法,对旋转角θ分别为0.0°、27.8°、32.2°和60.0°的双层CDW相和金属相1T-TaS2旋转堆垛结构的电子性质进行了研究。本文研究内容和相关研究成果如下:(1)对双层CDW相1T-TaS2旋转堆垛结构的结构参数和电子性质进行计算表明,AA堆垛的结构最稳定,而且随着θ的增加,层间距离增加,结构稳定性减弱,带隙从0.23eV增加到0.29eV。对于0.0°、27.8°和32.2°的结构,费米能级周围的电子是高度局域化的,具有绝缘体性质;而对于60.0°的结构,具有直接半导体性质。所有结构的费米能级周围的态密度主要来自于Ta-dz2轨道和少量S-pz轨道的贡献。对于0.0°、27.8°和32.2°的结构,它们的层间相互作用主要来源于范德瓦尔斯相互作用和层间S原子的pz轨道之间的成键相互作用;而对于60.0°的结构,其层间相互作用仅仅来自于范德瓦尔斯相互作用。(2)对双层金属相1T-TaS2旋转堆垛结构的结构参数和电子性质进行计算研究发现,随着θ的增加,体系的稳定性减弱;相比于金属相结构,对应旋转角的CDW相结构更加稳定。从金属相旋转堆垛结构转变到对应旋转角度的CDW相结构的过程中,0.0°的过渡能垒几乎可以忽略,证实了双层1T-TaS2从金属相很容易转变到CDW相的实验结果;而27.8°和32.2°的过渡能垒分别约为11.5meV/TaS2和9.7meV/TaS2,表明它们的金属相旋转堆垛结构很可能是两种有待实验验证的亚稳态CDW相结构。0.0°和27.8°的结构具有金属性质,而32.2°和60.0°的结构为半导体,带隙分别为0.12eV和0.29eV。其中,当θ从27.8°增加到32.2°时产生了金属到半导体性质的变化,这是由于大的晶格扭曲使得Ta-d电子和S-p电子向费米能级以下的低能级方向转移导致的。对于32.2°和60.0°的结构,费米能级周围的态密度主要来自于Ta-dz2轨道和少量S-pz轨道的贡献。而对于32.2°的结构,它的层间相互作用主要来源于范德瓦尔斯相互作用和层间S-pz轨道之间的成键相互作用。
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