掺杂对砷烯和铋烯物性影响的第一性原理研究

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自石墨烯在实验上制备后,二维半导体就逐渐发展成研究的热门方向。其中砷烯和铋烯材料由于其良好的稳定性和优越的性能而受到了广泛的关注。目前人们已经对砷烯和铋烯进行了大量的理论调查和研究。然而在掺杂砷烯材料的电子结构、磁学性能以及光学性能上的研究仍然不全面,对掺杂铋烯材料的电子结构和磁学性能的研究也是寥寥无几。另外通过不同原子浓度掺杂、对掺杂体系施加应力等手段去调控二维材料的性能在研究中具有重要的意义,亟待研究者们花费大量精力去探究。本文主要利用密度泛函理论对在相应作用下砷烯和铋烯的掺杂特性展开研究,掺杂原子为过渡金属。Fe原子掺杂砷烯结构的结果表明:(1)掺杂结构是直接带隙半导体,引入了磁矩并且可以实现室温铁磁性。另外结构可以改善在可见光范围内的光吸收。(2)在4%的双轴应变下,掺杂结构表现出金属特性,在其他应变条件下体系则保持直接带隙的自旋极化半导体特性。应变能改变砷烯基材料中电子的占据态,也会影响Fe与砷烯之间的作用,因此在4%、6%和8%的双轴应变下结构的磁矩明显增加。除此之外双轴压缩应变的调控会使可见光的吸收系数增大。(3)提高砷烯材料中杂质Fe的浓度,结构能够由半导体态变为金属态,磁矩也有所增加。另一方面,杂质浓度的变大会明显增强砷烯基材料在低能区光的吸收。V、Cr、Mn和Fe掺杂铋烯体系的结果表明:(1)掺入V杂质的结构表现为金属态,引入Cr杂质的结构则为自旋极化的半导体,而Mn和Fe掺杂的结构表现为半金属态。掺杂的铋烯体系中会产生杂质态并且引入局域的磁矩,因此所有掺杂体系都显示磁性。其中V原子掺杂的结构会呈现出铁磁耦合,但是掺有Cr、Mn和Fe杂质的铋烯结构均表现为反铁磁态。(2)在5.56%的掺杂浓度下,Cr掺杂的结构由半导体变为半金属。在12.5%的掺杂浓度下,Mn掺杂的体系由半金属态变为金属态。另外Cr掺杂铋烯体系的磁矩在不同浓度掺杂下保持稳定,在低浓度掺杂时Mn掺杂铋烯体系的磁矩相对稳定,但是V和Fe掺杂铋烯结构的磁矩一般会受杂质浓度的影响进而相对变化。
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