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《中国科学技术大学》 2017年
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3d过渡金属调控NbS_2、TiTe_2和硼烯磁性的理论研究

李玖一  
【摘要】:近年来随着二维材料合成制备技术的进步,诸如石墨烯、磷烯、硼烯等材料不断地涌现出来。同时基于这些材料独特的结构与性质所设计而来的电子器件表现出了优异的性质,这其中折射出的二维材料巨大的应用前景引起了人们浓厚的研究兴趣。在二维材料研究热潮的推动下,层状过渡金属二硫族化合物(TMDs)因其结构的低维特性和丰富的物理化学性质得到科研人员的广泛关注,在这些关注点中,开发TMDs在微电子器件应用方面的多功能属性无疑是一个重要的课题。随着MoS2在微电子学和光电子学上取得巨大成功,TMDs在器件应用方面的巨大潜力展现无遗。然而美中不足的是,在TMDs家族中拥有稳定磁性的材料极为稀有,而这种先天的不足无疑会影响TMDs在自旋电子学器件上的应用。因此,如何找到合适的方法在TMDs中引入稳定的磁性变得非常重要。采用应力、缺陷、吸附、边缘修饰等方法均可以在TMDs中引入磁性。但是我们注意到,从引入磁性的稳定性以及效率上来讲,3d过渡族金属掺杂似乎稍胜一筹。基于这一事实我们面临两个问题。其一,哪些3d过渡族金属掺杂能稳定地引入磁性?其二,3d过渡族金属掺杂引入磁性的机制是什么?为了解决上述两个问题,在基于密度泛函的第一性原理计算的框架下我们研究了 3d过渡金属插层对2H-NbS2磁性的调控、Ti位掺Cr对1T-TiTe2磁性的调控以及3d过渡金属吸附对硼烯磁性的调控。论文的章节安排如下:在第一章中,我们首先回顾了低维材料以及TMDs的发展简史,接着我们介绍了在TMDs引入磁性的重要性以及对当前常用的在TMDs中引入磁性的调控手法进行了总结。最后结合现有的工作,我们对3d过渡金属在调控TMDs磁性的现状以及存在的问题进行了分析。在第二章中,我们简单地介绍了第一性原理计算所涉及的密度泛函、巡游铁磁性以及能带反折叠等概念。在第三章中,我们研究了 3d过渡金属插层对2H-NbS2磁性的调控。结果表明对于1/4的插层量而言V、Cr、Mn、Fe、Co的插层化合物显示出铁磁性,并且这些铁磁性的体系的Stoner判据均大于1,这显示出体系的铁磁性起源于巡游铁磁性。同时我们还利用能带反折叠技术计算了相关插层化合物的能带,通过和母体能带结构的对比我们发现体系插层前后的能带结构发生了明显的变化,且这些变化不符合刚带模型的预期。在第四章中,我们研究了 Ti位掺Cr对1T-TiTe2磁性的影响,结果表明掺杂Cr能在1T-TiTe2中引入铁磁性,并且铁磁性的稳定性随着Cr掺杂量的增加而增加。通过对于体系电子结构的研究我们认为Cr-Te-Ti的超交换以及Cr-Te-Cr的超交换作用是体系铁磁性的起源。在第五章中,我们研究了 3d过渡金属吸附对硼烯磁性的调控,结果表明对于1/8的吸附量,Ti、V、Cr、Mn、Fe的吸附化合物显示出铁磁性。同时,我们根据对于这些体系的Stoner判据的计算,认为该体系的铁磁性起源于巡游电子。上述三个方面的研究结果表明,对于插层、替代和表面吸附这三种调控手段而言,3d过渡金属均能有效地引入磁性。同时对于其磁性起源既可以来源于巡游电子的贡献,也可能来源于超交换作用。我们的研究表明采用合适的3d过渡元素能够在TMDs中引入稳定的铁磁性。并且在TMDs中产生磁性的机制在不同体系中有所不同。在其它更多TMDs体系中,通过3d过渡金属调控出铁磁半金属(half-metal)材料将值得期待和进一步的研究。我们的研究为调控过渡金属二硫族化合物材料中稳定磁性提供了一定基础,同时也为调控其它类似低维材料中的磁性提供了一定的研究思路。通过总结调控规律,将能够去寻找更多具有本征磁性的低维材料,拓展低维材料在自旋电子学上的应用。
【学位授予单位】:中国科学技术大学
【学位级别】:硕士
【学位授予年份】:2017
【分类号】:TB302

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1 李玖一;3d过渡金属调控NbS_2、TiTe_2和硼烯磁性的理论研究[D];中国科学技术大学;2017年
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