低維材料的電子結(jié)構(gòu)與輸運性質(zhì)

1、低維材料的電子結(jié)構(gòu)與輸運性質(zhì)答辯人：康俊中國科學(xué)院半導(dǎo)體研究所超晶格國家重點實驗室導(dǎo)師：李京波 研究員2014年5月30日報告內(nèi)容石墨烯納米帶中的自旋過濾效應(yīng)硅烯納米帶中對稱性依賴的輸運特性和磁阻效應(yīng)石墨炔的力學(xué)、光學(xué)性質(zhì)及帶隙調(diào)控過渡金屬硫族化物半導(dǎo)體材料MX2的帶階、合金及異質(zhì)結(jié)性質(zhì)自旋電子學(xué)操控電子的自旋自由度。如何獲得自旋極化的電流，即實現(xiàn)自旋過濾效應(yīng)，是自旋電子學(xué)中的重要問題。鋸齒邊石墨烯納米帶(ZGNR)具有獨特的邊緣磁性，在自旋電子學(xué)器件方面具有應(yīng)用潛力。但通常ZGNR基態(tài)是反鐵磁的(PRL 97, 216803)，兩個邊緣磁矩方向相反，凈磁矩為0，不易獲得自旋極化電流。石墨烯納

2、米帶中的自旋過濾效應(yīng)構(gòu)造磁性基態(tài)的ZGNR：不對稱氫化。不對稱氫化的鋸齒邊石墨烯納米帶，兩個邊緣分別用一個H和兩個H飽和。其基態(tài)呈現(xiàn)鐵磁性，每原胞磁矩為1B，態(tài)密度在費米能級附近有獨特的分布，可用于設(shè)計自旋過濾器件。石墨烯納米帶中的自旋濾波效應(yīng)通過p型或n型摻雜使費米能級進(jìn)入價帶或?qū)?。摻雜后態(tài)密度呈現(xiàn)半金屬特性,可以實現(xiàn)自旋極化輸運。石墨烯納米帶中的自旋濾波效應(yīng)I-V曲線顯示，摻雜后的納米帶可以實現(xiàn)100%的自旋過濾效應(yīng)。由于費米能級附近透射系數(shù)隨偏壓增大而減小，摻雜體系還呈現(xiàn)負(fù)微分電阻。Jun Kang, Fengmin Wu, and Jingbo Li, Appl. Phys. Let

3、t. 98, 083109 (2011) Selected for Virtual Journal of Nanoscale Science & Technology, March 7, 2011石墨烯納米帶中的自旋濾波效應(yīng)不對稱氫化石墨烯納米帶構(gòu)成同質(zhì)結(jié)，在A和B區(qū)域中由2H鈍化的邊緣在納米帶不同側(cè)。超交換作用使得反鐵磁耦合更加穩(wěn)定石墨烯納米帶中的自旋濾波效應(yīng)基于同質(zhì)結(jié)的雙極器件，左右電極自旋極化相反。正向和反向偏壓下分別只允許自旋上和自旋下電流通過，表現(xiàn)出雙重自旋過濾效應(yīng)。石墨烯納米帶中的自旋濾波效應(yīng)雙重自旋過濾效應(yīng)起源于左右電極電子態(tài)在不同電壓下的不同交疊。 Jun Kang, Feng

4、min Wu, Shu-Shen Li, Jian-Bai Xia, and Jingbo Li, Appl. Phys. Lett. 100, 153102 (2012)石墨烯納米帶中的自旋濾波效應(yīng)Selected for Virtual Journal of Nanoscale Science & Technology, April 23, 2012硅烯(silicene)及其納米帶在實驗上的合成近期已被陸續(xù)報道。 (APL 96 183102, APL 97 223109, PRL 108 155501) 與石墨烯類似，呈現(xiàn)蜂窩狀六角結(jié)構(gòu)，并同樣擁有線性能量色散關(guān)系。但相鄰的兩個硅原子間

5、存在約0.4的高度差。(PRL 102 236804)有望與現(xiàn)代硅基半導(dǎo)體工藝兼容。硅烯納米帶中對稱性依賴的輸運特性和磁阻效應(yīng)不同寬度鋸齒邊硅納米帶(ZSiNR)表現(xiàn)出不同的輸運特性。奇數(shù)N的ZSiNR電流隨電壓線性增長。偶數(shù)N的ZSiNR電流受到抑制，接近0。硅烯納米帶中對稱性依賴的輸運特性和磁阻效應(yīng)偶數(shù)N的ZSiNR其和*帶在沿中軸的C2轉(zhuǎn)動操作下具有的相反的宇稱，電子從到*帶的傳遞是禁止的。輸運特性與ZSiNR的和*帶的對稱性有關(guān)。奇數(shù)N的ZSiNR其和*帶在沿中軸的C2轉(zhuǎn)動操作下沒有確定的宇稱，電子從到*帶的傳遞是允許的。硅烯納米帶中對稱性依賴的輸運特性和磁阻效應(yīng)鐵磁態(tài)的偶數(shù)N ZSi

6、NR將呈現(xiàn)磁阻效應(yīng)。兩個電極自旋極化方向相同時，在費米能級附近電子的傳輸是允許的，體系表現(xiàn)為低阻態(tài)。兩個電極自旋極化方向相反時，在費米能級附近電子的傳輸是禁止的，體系表現(xiàn)為高阻態(tài)。磁阻可達(dá)104。硅烯納米帶中對稱性依賴的輸運特性和磁阻效應(yīng)磁阻效應(yīng)可用于邏輯器件設(shè)計，如與、或和非邏輯門。自旋上和自旋下極化代表邏輯1和邏輯0輸入。低阻態(tài)和高阻態(tài)代表邏輯1和邏輯0輸出。Jun Kang, Fengmin Wu, and Jingbo Li, Appl. Phys. Lett. 100, 233122 (2012)硅烯納米帶中對稱性依賴的輸運特性和磁阻效應(yīng)Selected for Virtual Jo

7、urnal of Nanoscale Science & Technology, June 25, 2012石墨炔的力學(xué)、光學(xué)性質(zhì)及帶隙調(diào)控石墨炔家族中的一種 graphdiyne已被成功制備。 Chem. Commun., 46, 3256 (2010)石墨炔（graphyne）由Baughman 等提出 。 J. Chem. Phys. 87, 6687 (1987)石墨炔中同時存在sp和sp2雜化的碳原子，組成二維平面網(wǎng)格。不同于石墨烯的零帶隙，石墨炔顯示半導(dǎo)體性質(zhì)。碳的新型同素異形體-石墨炔石墨炔的力學(xué)性質(zhì)和能帶通過形變能計算得到面內(nèi)剛度為10.36 eV/2，泊松比為 0.417。M

8、點直接帶隙: 0.46 eV (PBE)，0.96 eV (HSE06)。能帶可劃分為、px-py和pz 的成鍵和反鍵帶。石墨炔的力學(xué)、光學(xué)性質(zhì)及帶隙調(diào)控光學(xué)性質(zhì)呈現(xiàn)各向異性，在低能區(qū)對平行極化的光有強烈吸收，而對垂直極化的光吸收幾乎為0。在均勻形變下帶隙在大范圍內(nèi)連續(xù)可調(diào)，拉(壓）應(yīng)變減?。ㄔ黾樱┝藀z電子之間的交疊，增加（減?。┝藥?。Jun Kang, Jingbo Li, Fengmin Wu, Shu-Shen Li, Jian-Bai Xia，J. Phys. Chem. C 115, 20466 (2011)石墨炔的力學(xué)、光學(xué)性質(zhì)及帶隙調(diào)控過渡金屬硫族化物半導(dǎo)體材料MX2的帶階以

9、MoS2為代表的二維過渡金屬硫?qū)倩锇雽?dǎo)體MX2近來成為研究熱點。它們擁有高開關(guān)比、間接-直接帶隙轉(zhuǎn)換等特性。對于半導(dǎo)體而言，它們的CBM和VBM位置，以及不同材料間的帶階是重要的物理參數(shù)。帶階將影響材料中的量子限制效應(yīng)、摻雜特性、催化活性等等。二維MX2半導(dǎo)體的帶階此前并沒有報道。系統(tǒng)計算了單層過渡金屬硫族化物MX2的帶階(M=Mo, W; X=S, Se, Te)?；沮厔轂?，隨陰離子原子序增加，CBM和VBM能量上升。當(dāng)陰離子相同時，WX2帶邊能量比MoX2高。MoX2-WX2異質(zhì)結(jié)幾乎沒有晶格失配，且?guī)щA為II類，有利于電子和空穴的分離。過渡金屬硫族化物半導(dǎo)體材料MX2的帶階進(jìn)一步研究

10、了MX2帶邊位置隨層數(shù)的變化關(guān)系。隨層數(shù)減小，CBM上移而VBM下移。同時發(fā)現(xiàn)單層MoS2在光催化分解水方面有潛在應(yīng)用。這是因為(i) MoS2具有較為合適的帶隙寬度；(ii)MoS2的帶邊位置與H2O的氧化還原勢匹配。其VBM低于H2O的氧化勢，CBM高于H2O的還原勢。Jun Kang, Sefaattin Tongay, Jian Zhou, Jingbo Li, and Junqiao Wu, Appl. Phys. Lett. 102, 012111 (2013).過渡金屬硫族化物半導(dǎo)體材料MX2的帶階計算了MX2(1-x)X2x合金的性質(zhì)Mo(S,Se)合金存在穩(wěn)定的有序相合金的完

11、全混溶都可以在較低的溫度下發(fā)生過渡金屬硫化物半導(dǎo)體合金的穩(wěn)定性及電子結(jié)構(gòu)合金帶隙隨組分變化連續(xù)可調(diào)合金中存在能帶彎曲效應(yīng)，當(dāng)合金組元之間的尺寸及化學(xué)差別越大時彎曲效應(yīng)越顯著過渡金屬硫化物半導(dǎo)體合金的穩(wěn)定性及電子結(jié)構(gòu)Jun Kang, Sefaattin Tongay, Jingbo Li, and Junqiao Wu, J. Appl. Phys. 113, 143703 (2013). MoS2/MoSe2二維異質(zhì)結(jié)中的波函數(shù)局域化二維半導(dǎo)體異質(zhì)結(jié)可以由不同的二維半導(dǎo)體材料堆積而成由于層與層之間為范德瓦爾斯作用，因此二維材料之間并無晶格匹配要求晶格失配將對二維異質(zhì)結(jié)的性質(zhì)產(chǎn)生影響二維MoS

12、2和MoSe2單層存在4.4%的晶格失配。通過對應(yīng)變能和結(jié)合能的計算發(fā)現(xiàn)，它們之間范德瓦爾斯結(jié)合作用的強度不足以消除這一失配形成晶格匹配的異質(zhì)結(jié)，而是形成一種被稱為莫爾圖樣(Moir Pattern)的結(jié)構(gòu)。 MoS2/MoSe2二維異質(zhì)結(jié)中的波函數(shù)局域化在莫爾圖樣中，不同區(qū)域的MoS2和MoSe2的堆積方式也不同，進(jìn)而導(dǎo)致不同區(qū)域的層間耦合作用及靜電勢不同，這將會對異質(zhì)結(jié)的電子結(jié)構(gòu)產(chǎn)生顯著影響。 MoS2/MoSe2二維異質(zhì)結(jié)中的波函數(shù)局域化對一個包含6630個原子的MoS2/MoSe2莫爾圖樣超胞的帶邊波函數(shù)進(jìn)行了計算。價帶頂?shù)目昭úê瘮?shù)被限制在層間耦合較強的區(qū)域，這是因為層間耦合作用會將

13、VBM上推。而導(dǎo)帶底的電子波函數(shù)則比較擴(kuò)展，僅表現(xiàn)出弱局域性，局域的原因主要是各個區(qū)域靜電勢的差異。 MoS2/MoSe2二維異質(zhì)結(jié)中的波函數(shù)局域化Jun Kang, Jingbo Li, Shu-Shen Li, Jian-Bai Xia and Lin-Wang Wang, Nano Lett. 13, 5485 (2013). 總結(jié)提出在不對稱氫化石墨烯納米帶中，通過p型和n型摻雜，或者構(gòu)造同質(zhì)結(jié)等方式能夠?qū)崿F(xiàn)100%的自旋過濾效應(yīng)。在硅烯納米帶中觀察到對稱性依賴的輸運性質(zhì)并解釋了起因；同時發(fā)現(xiàn)硅烯納米帶的磁阻效應(yīng)。研究了新型材料石墨炔的力學(xué)、光學(xué)性質(zhì)，得到了石墨炔的力學(xué)參數(shù)并發(fā)現(xiàn)其光吸

14、收的各向異性；提出通過施加應(yīng)變能夠?qū)κ策M(jìn)行帶隙調(diào)控。系統(tǒng)計算了單層過渡金屬硫化物半導(dǎo)體的帶階，發(fā)現(xiàn)MoS2/WS2等異質(zhì)結(jié)為II類帶階，可應(yīng)用于新型光電器件。此外發(fā)現(xiàn)MoS2具有合適的帶邊位置，可用于光催化分解水。研究了單層過渡金屬硫化物半導(dǎo)體合金的穩(wěn)定性以及能帶結(jié)構(gòu)。發(fā)現(xiàn)Mo(S,Se)合金存在穩(wěn)定的有序相。計算了合金帶隙隨組分的變化關(guān)系，發(fā)現(xiàn)能帶存在彎曲效應(yīng)。發(fā)現(xiàn)晶格失配將使得二維MoS2/MoSe2異質(zhì)結(jié)中形成Moir Pattern，導(dǎo)致異質(zhì)結(jié)不同區(qū)域的層間耦合強度及靜電勢不同，使得波函數(shù)發(fā)生局域化。論文發(fā)表情況期刊名影響因子篇數(shù)Nano. Lett.13.0251Appl. Phys. Lett.3.7944J. Phys. Chem. C4.8142J. Appl. Phys.2.212J. Phys.: Condens. Matter2.3552Phys. Lett. A1.7661期刊名影響因子篇數(shù)Nano. Lett.13.0251Carbon5.8681Phys. Rev. B3.7