4d过渡金属掺杂蓝磷的第一性原理研究

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作为二维材料的一员,蓝磷由于其独特的机械、电子、光学特性而引起了极大的关注。然而纯蓝磷为无磁性的半导体,这大大限制了其在自旋电子学领域的进一步发展。在纯蓝磷中引入磁性,探索其在自旋电子学领域的潜力,已成为蓝磷研究的热点之一。对二维材料而言,掺杂是一种能有效调制其电子、磁性和光学特性的方法。而了解掺杂对蓝磷的光学特性的影响,对于设计薄层蓝磷基光电器件也至关重要。因此,基于第一性原理计算,我们系统的研究了 4d过渡金属替代掺杂和吸附掺杂单层蓝磷的结构、电子、磁性和光学特性。首先,我们研究了 4d过渡金属替代掺杂单层蓝磷的结构、电子、磁性和光学特性。计算出的结合能结果证实了 4d过渡金属替代掺杂单层蓝磷体系均具有结构稳定性。电子结构结果表明Zr,Nb,Tc和Cd替代掺杂体系具有半金属特性,Mo和Ru替代掺杂体系具有稀磁半导体特性,而Y和Rh替代掺杂体系为无磁性半导体,Pd和Ag替代掺杂体系为无磁性金属。自旋密度图显示自旋极化主要源于Zr,Nb,Mo,Tc和Ru替代掺杂蓝磷中掺杂原子的贡献,而对Cd替代掺杂蓝磷而言自旋极化来自于P原子。差分电荷密度图显示在Y,Zr,Nb,Mo,Tc,Ru,Rh,Pd替代掺杂蓝磷体系中,掺杂原子与相邻的P原子之间存在较强的共价相互作用,而Ag和Cd替代掺杂蓝磷体系中电荷密度是局域化的,掺杂原子和P原子之间存在离子相互作用。与纯蓝磷相比,4d过渡金属替代掺杂后蓝磷对红外和可见光的吸收显著增强,其折射率峰有轻微的红移特征。以上结果表明采用4d TM原子替代掺杂的策略可以调制蓝磷的性能,使其在自旋电子器件和光电子学方面具备较好的应用前景。其次,我们研究了 4d过渡金属吸附掺杂单层蓝磷的结构、电子、磁性和光学特性。在结构驰豫后,除了 Cd未吸附外,其他的4d过渡金属均稳定吸附在蓝磷表面。Mo,Tc,Ru和Rh吸附掺杂使得蓝磷中产生了自旋极化现象,能带图和态密度图显示Mo吸附掺杂体系具有半金属性质,Tc和Ru吸附掺杂体系显示出双极磁性半导体的特征,而Rh吸附掺杂体系展现自旋无隙半导体特性。4d过渡金属吸附掺杂蓝磷体系的静态折射率n(0)较纯蓝磷显示出不同程度上的增大。吸附掺杂体系的吸收边较纯蓝磷向低能区移动,这一红移现象意味着吸附掺杂4d过渡金属增强了蓝磷对红外光的吸收。吸收系数的结果表明,在红外和可见光区域,相较于纯蓝磷,4d过渡金属吸附掺杂蓝磷体系的吸收显著增强,有利于其光电领域应用。因此,本文研究结果表明4d过渡金属替代掺杂和吸附掺杂可有效的调制单层蓝磷电子,磁性和光学特性,使其在自旋电子学,磁电子学和光电组件领域都具有潜在的应用前景。
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