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《吉首大学》 2018年
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二硫化钼及其纳米结构光电特性的磁电调控研究

张新成  
【摘要】:二硫化钼(MoS2)是典型的过渡金属硫化物,属于六方晶系层状结构。单层MoS2由三层原子构成,其中上、下两层为硫原子组成的六角平面,被中间的金属钼原子层隔开,从而形成“三明治夹心”结构。近年来,由于单层MoS2在纳米电子器件中的成功应用,令它受到了广泛的关注。相比于零带隙的本征石墨烯,单层MoS2是直接带隙半导体,具有自旋/谷霍尔效应等物理特性,其独特的光学性质和输运特性,展现出在纳米光(自旋/谷)电子器件方面潜在的应用前景。本论文在紧束缚近似下的低能有效理论框架下,利用半导体带间跃迁理论和久保线性响应理论等方法,围绕单层MoS2及其纳米带的光学性质和输运特性的外部磁电调控展开研究。全文共分为四章,第一章为绪论部分,简要介绍单层MoS2的发现及其实验制备,光学性质和量子输运特性研究中常用的紧束缚近似方法、半导体带间跃迁理论和久保线性响应理论。第二章基于低能有效哈密顿模型,研究单层MoS2电子能带结构的外加电磁场(电场、磁近邻交换场和非共振圆偏振光)调控。通过分析单层MoS2的电子能带结构,发现系统在没有外部电磁场作用的情况下,单层MoS2价带与导带间打开一个直接带隙,价带因为自旋轨道耦合作用产生劈裂,而导带处于自旋简并状态。相同自旋子带间的带隙随着负栅压引起的电势能的增加而减小,随着正栅压引起的电势能的增大而增大。磁近邻交换场能够破坏系统导带(价带)的自旋简并,使得自旋依赖的导带和价带相对于费米能级整体向上或向下移动。单层MoS2布里渊区K谷和K'谷附近自旋依赖子带间的能隙随着非共振右旋圆偏振光引起的有效耦合能分别线性增大和先减小后增大,随着非共振左旋圆偏振光引起的有效耦合能分别先减小后增大和线性增大,实现系统能带结构有趣的半导体性-半金属性-半导体性转变。第三章利用半导体带间跃迁理论和久保线性响应理论研究低能有效理论框架下单层MoS2的介电函数、吸收系数、折射率、消光系数、反射谱以及光电导等光学性质及其输运特性的磁电调控。在共振圆/椭圆偏振光作用下,单层MoS2介电函数、吸收系数、折射率、消光系数、反射谱和光电导实部的共振峰随着偏振光纵向与横向振幅比的增大而升高,因而单层MoS2对纵向极化线偏振光的响应更加敏感。此外,单层MoS2在外部非共振圆偏振光作用下,呈现有趣的量子化横向霍尔电导和自旋/谷霍尔电导,自旋极化率在非共振右/左旋圆偏振光有效耦合能±0.79 cV附近达到最大并发生由正到负或由负到正的急剧转变,谷极化率随着非共振圆偏振光有效耦合能先增大后减小并在其绝对值0.79~0.87 eV范围内达到100%。在外加电场作用下,单层MoS2介电函数、吸收系数等光学常数随着电磁场辐照频率先增大后减小,自旋向上和向下的价带与导带间的介电函数、吸收系数、折射率、消光系数、反射谱以及光电导随着正/负栅压引起的电势能的增加分别蓝移和红移。第四章,对本文的工作进行总结与归纳,对MoS2纳米带光学性质和输运特性的外部磁电调控这一研究的发展前景进行了展望。
【学位授予单位】:吉首大学
【学位级别】:硕士
【学位授予年份】:2018
【分类号】:TQ136.12;TB383.1

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