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二维材料性质的调控及异质结性质研究

王韬  
【摘要】:自2004年石墨烯的发现以来,二维(2D)纳米材料以其独特而优异的性质引起了人们的关注。他们在光学、电化学、催化等领域表现出了巨大的潜力,成为了材料领域一类赤手可热的研究对象。磁性二维材料因其在自旋电子学应用中具有重要的潜力而备受关注。论文首先基于密度泛函理论(DFT)系统地研究了3d过渡金属掺杂的单层InSe的电子结构和磁性。结果表明,当掺杂Ti、Cr或Ni原子时,单层InSe(记为X-InSe,X=Ti、Cr或Ni)可以由半导体转变成半金属(half-metal)。进一步计算表明,Cr-InSe基态具有铁磁性质,居里温度高于室温,展现出了在自旋电子学方面的应用潜力;此外,由于半金属特性的存在,Cr-InSe自旋阀的磁阻达到100%。金属-半导体接触在现代器件中扮演着一个重要的角色。由于费米钉扎效应,传统金属(Au,Ag,Cu等)与半导体之间的肖特基势垒高度难以调节。幸运的是,在二维情况下,由于金属引起的间隙态受到抑制,费米钉扎效应在2D金属和2D半导体之间的接触中减弱。论文选择单层NbS_2作为与MoSe_2/WSe_2双层接触的电极,基于密度泛函理论和非平衡格林函数方法,讨论了WSe_2/MoSe_2/NbS_2和MoSe_2/WSe_2/NbS_2两种堆叠顺序结构的界面性质。结果表明,在这些2D金属-半导体接触中可以形成无势垒接触,器件的透射系数对堆叠顺序比较敏感,WSe_2/MoSe_2/NbS_2系统的电流与电压曲线呈现出线性关系,电阻远低于MoSe_2/WSe_2/NbS_2系统。详细分析表明,透射系数受原子层之间的电子耦合控制,在WSe_2/MoSe_2/NbS_2体系中,观察到层间电子相互交叠,有利于电荷转移,形成良好的欧姆接触。随着设备尺寸效应的限制,为下一代纳米器件寻找新材料或新技术成为现代电子工业中最重要的任务之一。在文章的第三部分,基于第一性原理计算,系统地研究了门电压对蓝磷/黑磷范德华异质结的影响。结果表明,当门电压足够强时,蓝磷/黑磷异质结可以从半导体转换为金属。此外,依据门电压的不同,费米能处的局域态密度主要位于异质结的最上层或最下层。基于这些特性,构建了一个双门电压器件,通过改变施加在电极上的门电压方向,实现器件的“开”或“关”状态。计算出的黑磷/蓝磷器件的透射系数与两个门电压的方向有关,这可以基于不同原子层上的电子分布和异质结中的不对称结构来理解。研究结果可对设计和改进基于2D材料的新型器件提供理论指导。


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