低维材料的电子结构与输运性质

1、低维材料的电子结构与输运性质答辩人：康俊中国科学院半导体研究所超晶格国家重点实验室导师：李京波 研究员2014年5月30日报告内容石墨烯纳米带中的自旋过滤效应硅烯纳米带中对称性依赖的输运特性和磁阻效应石墨炔的力学、光学性质及带隙调控过渡金属硫族化物半导体材料MX2的带阶、合金及异质结性质自旋电子学操控电子的自旋自由度。如何获得自旋极化的电流，即实现自旋过滤效应，是自旋电子学中的重要问题。锯齿边石墨烯纳米带(ZGNR)具有独特的边缘磁性，在自旋电子学器件方面具有应用潜力。但通常ZGNR基态是反铁磁的(PRL 97, 216803)，两个边缘磁矩方向相反，净磁矩为0，不易获得自旋极化电流。石墨烯纳

2、米带中的自旋过滤效应构造磁性基态的ZGNR：不对称氢化。不对称氢化的锯齿边石墨烯纳米带，两个边缘分别用一个H和两个H饱和。其基态呈现铁磁性，每原胞磁矩为1B，态密度在费米能级附近有独特的分布，可用于设计自旋过滤器件。石墨烯纳米带中的自旋滤波效应通过p型或n型掺杂使费米能级进入价带或导带。掺杂后态密度呈现半金属特性,可以实现自旋极化输运。石墨烯纳米带中的自旋滤波效应I-V曲线显示，掺杂后的纳米带可以实现100%的自旋过滤效应。由于费米能级附近透射系数随偏压增大而减小，掺杂体系还呈现负微分电阻。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石墨烯纳米带中的自旋滤波效应不对称氢化石墨烯纳米带构成同质结，在A和B区域中由2H钝化的边缘在纳米带不同侧。超交换作用使得反铁磁耦合更加稳定石墨烯纳米带中的自旋滤波效应基于同质结的双极器件，左右电极自旋极化相反。正向和反向偏压下分别只允许自旋上和自旋下电流通过，表现出双重自旋过滤效应。石墨烯纳米带中的自旋滤波效应双重自旋过滤效应起源于左右电极电子态在不同电压下的不同交叠。 Jun Kang, Feng

4、min Wu, Shu-Shen Li, Jian-Bai Xia, and Jingbo Li, Appl. Phys. Lett. 100, 153102 (2012)石墨烯纳米带中的自旋滤波效应Selected for Virtual Journal of Nanoscale Science & Technology, April 23, 2012硅烯(silicene)及其纳米带在实验上的合成近期已被陆续报道。 (APL 96 183102, APL 97 223109, PRL 108 155501) 与石墨烯类似，呈现蜂窝状六角结构，并同样拥有线性能量色散关系。但相邻的两个硅原子间

5、存在约0.4的高度差。(PRL 102 236804)有望与现代硅基半导体工艺兼容。硅烯纳米带中对称性依赖的输运特性和磁阻效应不同宽度锯齿边硅纳米带(ZSiNR)表现出不同的输运特性。奇数N的ZSiNR电流随电压线性增长。偶数N的ZSiNR电流受到抑制，接近0。硅烯纳米带中对称性依赖的输运特性和磁阻效应偶数N的ZSiNR其和*带在沿中轴的C2转动操作下具有的相反的宇称，电子从到*带的传递是禁止的。输运特性与ZSiNR的和*带的对称性有关。奇数N的ZSiNR其和*带在沿中轴的C2转动操作下没有确定的宇称，电子从到*带的传递是允许的。硅烯纳米带中对称性依赖的输运特性和磁阻效应铁磁态的偶数N ZSi

6、NR将呈现磁阻效应。两个电极自旋极化方向相同时，在费米能级附近电子的传输是允许的，体系表现为低阻态。两个电极自旋极化方向相反时，在费米能级附近电子的传输是禁止的，体系表现为高阻态。磁阻可达104。硅烯纳米带中对称性依赖的输运特性和磁阻效应磁阻效应可用于逻辑器件设计，如与、或和非逻辑门。自旋上和自旋下极化代表逻辑1和逻辑0输入。低阻态和高阻态代表逻辑1和逻辑0输出。Jun Kang, Fengmin Wu, and Jingbo Li, Appl. Phys. Lett. 100, 233122 (2012)硅烯纳米带中对称性依赖的输运特性和磁阻效应Selected for Virtual Jo

7、urnal of Nanoscale Science & Technology, June 25, 2012石墨炔的力学、光学性质及带隙调控石墨炔家族中的一种 graphdiyne已被成功制备。 Chem. Commun., 46, 3256 (2010)石墨炔（graphyne）由Baughman 等提出 。 J. Chem. Phys. 87, 6687 (1987)石墨炔中同时存在sp和sp2杂化的碳原子，组成二维平面网格。不同于石墨烯的零带隙，石墨炔显示半导体性质。碳的新型同素异形体-石墨炔石墨炔的力学性质和能带通过形变能计算得到面内刚度为10.36 eV/2，泊松比为 0.417。M

8、点直接带隙: 0.46 eV (PBE)，0.96 eV (HSE06)。能带可划分为、px-py和pz 的成键和反键带。石墨炔的力学、光学性质及带隙调控光学性质呈现各向异性，在低能区对平行极化的光有强烈吸收，而对垂直极化的光吸收几乎为0。在均匀形变下带隙在大范围内连续可调，拉(压）应变减小（增加）了pz电子之间的交叠，增加（减小）了带隙。Jun Kang, Jingbo Li, Fengmin Wu, Shu-Shen Li, Jian-Bai Xia，J. Phys. Chem. C 115, 20466 (2011)石墨炔的力学、光学性质及带隙调控过渡金属硫族化物半导体材料MX2的带阶以

9、MoS2为代表的二维过渡金属硫属化物半导体MX2近来成为研究热点。它们拥有高开关比、间接-直接带隙转换等特性。对于半导体而言，它们的CBM和VBM位置，以及不同材料间的带阶是重要的物理参数。带阶将影响材料中的量子限制效应、掺杂特性、催化活性等等。二维MX2半导体的带阶此前并没有报道。系统计算了单层过渡金属硫族化物MX2的带阶(M=Mo, W; X=S, Se, Te)。基本趋势为，随阴离子原子序增加，CBM和VBM能量上升。当阴离子相同时，WX2带边能量比MoX2高。MoX2-WX2异质结几乎没有晶格失配，且带阶为II类，有利于电子和空穴的分离。过渡金属硫族化物半导体材料MX2的带阶进一步研究

10、了MX2带边位置随层数的变化关系。随层数减小，CBM上移而VBM下移。同时发现单层MoS2在光催化分解水方面有潜在应用。这是因为(i) MoS2具有较为合适的带隙宽度；(ii)MoS2的带边位置与H2O的氧化还原势匹配。其VBM低于H2O的氧化势，CBM高于H2O的还原势。Jun Kang, Sefaattin Tongay, Jian Zhou, Jingbo Li, and Junqiao Wu, Appl. Phys. Lett. 102, 012111 (2013).过渡金属硫族化物半导体材料MX2的带阶计算了MX2(1-x)X2x合金的性质Mo(S,Se)合金存在稳定的有序相合金的完

11、全混溶都可以在较低的温度下发生过渡金属硫化物半导体合金的稳定性及电子结构合金带隙随组分变化连续可调合金中存在能带弯曲效应，当合金组元之间的尺寸及化学差别越大时弯曲效应越显著过渡金属硫化物半导体合金的稳定性及电子结构Jun Kang, Sefaattin Tongay, Jingbo Li, and Junqiao Wu, J. Appl. Phys. 113, 143703 (2013). MoS2/MoSe2二维异质结中的波函数局域化二维半导体异质结可以由不同的二维半导体材料堆积而成由于层与层之间为范德瓦尔斯作用，因此二维材料之间并无晶格匹配要求晶格失配将对二维异质结的性质产生影响二维MoS

12、2和MoSe2单层存在4.4%的晶格失配。通过对应变能和结合能的计算发现，它们之间范德瓦尔斯结合作用的强度不足以消除这一失配形成晶格匹配的异质结，而是形成一种被称为莫尔图样(Moir Pattern)的结构。 MoS2/MoSe2二维异质结中的波函数局域化在莫尔图样中，不同区域的MoS2和MoSe2的堆积方式也不同，进而导致不同区域的层间耦合作用及静电势不同，这将会对异质结的电子结构产生显著影响。 MoS2/MoSe2二维异质结中的波函数局域化对一个包含6630个原子的MoS2/MoSe2莫尔图样超胞的带边波函数进行了计算。价带顶的空穴波函数被限制在层间耦合较强的区域，这是因为层间耦合作用会将

13、VBM上推。而导带底的电子波函数则比较扩展，仅表现出弱局域性，局域的原因主要是各个区域静电势的差异。 MoS2/MoSe2二维异质结中的波函数局域化Jun Kang, Jingbo Li, Shu-Shen Li, Jian-Bai Xia and Lin-Wang Wang, Nano Lett. 13, 5485 (2013). 总结提出在不对称氢化石墨烯纳米带中，通过p型和n型掺杂，或者构造同质结等方式能够实现100%的自旋过滤效应。在硅烯纳米带中观察到对称性依赖的输运性质并解释了起因；同时发现硅烯纳米带的磁阻效应。研究了新型材料石墨炔的力学、光学性质，得到了石墨炔的力学参数并发现其光吸

14、收的各向异性；提出通过施加应变能够对石墨炔进行带隙调控。系统计算了单层过渡金属硫化物半导体的带阶，发现MoS2/WS2等异质结为II类带阶，可应用于新型光电器件。此外发现MoS2具有合适的带边位置，可用于光催化分解水。研究了单层过渡金属硫化物半导体合金的稳定性以及能带结构。发现Mo(S,Se)合金存在稳定的有序相。计算了合金带隙随组分的变化关系，发现能带存在弯曲效应。发现晶格失配将使得二维MoS2/MoSe2异质结中形成Moir Pattern，导致异质结不同区域的层间耦合强度及静电势不同，使得波函数发生局域化。论文发表情况期刊名影响因子篇数Nano. Lett.13.0251Appl. Phys. Lett.3.7944J. Phys. Chem. C4.8142J. Appl. Phys.2.212J. Phys.: Condens. Matter2.3552Phys. Lett. A1.7661期刊名影响因子篇数Nano. Lett.13.0251Carbon5.8681Phys. Rev. B3.7