掺杂和双轴应变对锑烯物性影响的第一性原理研究

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石墨烯的发现使得二维材料备受关注,其中锑烯基材料因其稳定性好、无毒、性能优越等特点备受研究者们追捧。近年来科研工作者对锑烯材料进行了一系列的研究,但是人们对其磁学和光学性能的研究还处于初始阶段,此外应变对该材料性能影响的研究十分匮乏。更为重要地是,掺杂与应变的协同效应会对锑烯的电子、磁学和光学性能有显著的影响,亟待研究者们花费大量精力。本文选取的掺杂元素为Cr和Fe,并且对两种掺杂体系的物理性能进行了系统的探究,此外还着重研究了应变对掺杂体系的影响。主要内容包括如下三方面:(1)Cr掺杂的锑烯是一种窄的间接带隙半导体材料,Cr原子的引入在体系的禁带内引入了杂质态。该掺杂体系虽然呈现为磁基态,但是考虑局域磁矩之间的耦合作用时均呈现为反铁磁态。此外,Cr原子的引入可以有效的提高锑烯基材料对可见光区的吸收效率,尤其是低能量区域。更重要地是,最适宜的掺杂浓度值约为5.56%。(2)Fe掺杂的锑烯体系的带隙值约为0 e V并且实现了室温铁磁性。Fe掺杂的(0,1)结构不仅拥有最低的形成能,而且居里温度高于室温并且温度适宜。因此在实验制备中应尽量选择相邻位置掺杂。此外,Fe掺杂的锑烯材料对近红外光区的吸收能力随着掺杂浓度的增加而逐渐增强,极大地提高了该材料在低能区的光利用效率。而从可见光区能量范畴所对应的吸收谱看,我们发现在Fe的掺入以及掺杂浓度的改变并未有效的改善该区域的光吸收能力。(3)在双轴应变作用下的Cr掺杂的锑烯体系中,无论是在双轴压缩应变还是双轴拉伸过程中,这些掺杂体系都经历了一个从带隙逐渐闭合再到重新打开的过程。而对于Fe掺杂的锑烯,在8%拉伸应变时该掺杂体系为一种直接带隙半导体材料。随着压缩应变强度持续增大Fe掺杂的锑烯逐渐由一个金属转变成一个半金属材料。对于光学性质方面,双轴压缩应变调控的两种掺杂系统,可见光的吸体系收系数随着压缩强度的增加而增大,这极大地提高了Cr和Fe掺杂系统对可见光区域的利用效率。
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