类石墨烯二硫化钼的第一性原理研究

【摘要】本文采用基于密度泛函理论的第一性原理计算方法，以单层和双层二硫化钼（MoS2）为研究对象，系统研究了类石墨烯MoS2表面吸附和层间掺杂过渡金属原子后系统的结构、电子性质和磁性行为，为类石墨烯MoS2在自旋电子器件方面的潜在应用提供理论基础。同时我们还探讨了单层MoS2在六角氮化硼（h-BN）调制作用下能带结构发生的变化，研究结果表明不同层数的h-BN能够对单层MoS2提供不同的晶格应变从而实现了对单层MoS2能带结构的有效调控。首先，我们研究了单层和双层MoS2表面吸附与双层层间掺杂Fe原子的调制行为，发现单层和双层表面吸附Fe原子后系统仍然是半导体特性，在费米面处没有自旋极化，然而，对于双层MoS2层间掺杂Fe原子的系统，系统在费米面处的自旋极化率达到了100%，表现了半金属的行为。另外，我们继续系统研究了多种3d过渡金属原子，包括Cr、Fe、Mn、Co和Ni掺杂在双层MoS2层间后的稳定结构、电子能带结构以及磁性行为。我们发现过渡金属原子掺杂后的局域磁矩比自由态时的值都有不同程度的减少，而Ni原子掺杂后失去了磁矩；Cr和Fe掺杂的系统在费米处表现出了100%的自旋极化率，体现了一种半金属的行为，Mn和Co在最高占据态的位置的自旋极化率为100%。我们的结论显示，双层MoS2选择性掺杂过渡金属原子Fe和Cr后有可能成为制作自旋电子器件优良材料。另外，我们利用基于密度泛函理论的第一性原理计算方法，以MoS2/n-h-BN异质结为研究对象，其中n表示h-BN的层数，预测了MoS2/n-h-BN异质结的稳定构型，并且研究了异质结的能带特性，我们发现，不同于悬浮态的单层MoS2，MoS2/n-h-BN异质结具有间接带隙，并且价带顶和导带底的电荷贡献都来自于MoS2层，即异质结中单层MoS2具有间接带隙特征；MoS2/n-h-BN的带隙随着h-BN层数的增加而减少并最后趋于稳定值；研究发现h-BN对单层MoS2的能带的调控作用实质上是由MoS2和h-BN之间的相互作用而诱导的晶格应变引起的。我们的结论显示，将单层MoS2附着在不同层数的h-BN片上能够获得不同的晶格应变，从而能够实现对单层MoS2能带结构的有效调控。
【作者】黄宗玉；
【导师】钟建新；
【作者基本信息】湘潭大学，凝聚态物理，2014，博士
【关键词】密度泛函理论；二硫化钼；第一性原理；自旋极化；异质结；

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