单层WS2掺杂改性的第一性原理研究

作     者：王敏敏 

作者单位：陕西师范大学 

学位级别：硕士

导师姓名：张建民

授予年度：2022年

学科分类：07[理学] 070205[理学-凝聚态物理] 0702[理学-物理学] 

主      题：单层WS2 第一性原理 掺杂 磁性 

摘      要：引入磁矩的二维材料具有新的磁性,电子性质以及光催化性质,被广泛应用于自旋场效应晶体管、自旋发光二极管和磁存储器等。二维二硫化钨(WS)具有比较宽的直接带隙(Eg=1.812 e V),因其性质可以被调控而得到很多科学家的青睐,例如可以通过吸附,替代掺杂,形成空位,弹性应变或施加外电场等方法。单层WS有趣的电子、光学和力学性质,使其成为扫描探针显微镜技术和抗冲击波应领域中十分有潜力的材料。本文将分别通过共掺杂Co-X(X=B、C、N、O或F),单掺杂5d过渡金属原子M(M=Hf、Ta、Re、Os、Ir、Pt、Au或Hg)到单层WS来调控其性质。首先我们利用第一性原理方法系统地研究了纯的和Co-X(X=B、C、N、O或F)共掺杂单层WS的结构、电子性质、磁性和光学特性。研究表明,所有的Co-X(X=B、C、N、O或F)共掺杂的单层WS在富硫条件下比在富钨条件下更容易形成。纯的单层WS是非磁性半导体,但Co-X(X=B、C、N或F)掺杂的单层WS变成了磁矩为2、3、2或2μ的磁性半导体,而Co-O掺杂单层WS后转变为磁性半金属,磁矩为1μ。最后,我们发现系统的静态介电常数越小,相应的带隙就越大。对于所有掺杂Co-X的单层WS,与纯的单层WS相比,其介电函数虚部的攀升点向低能区域移动,这表明共掺杂原子后在可见区和红外区域的光学特性增强,有利于其纳米光电器件的应用。此外,所有共掺杂的单层WS的折射率在红外光区都大于纯的单层WS,但在红外光和可见光区域内不仅吸收边均小于纯的单层WS,而且吸收率有所增强,说明Co-X(X=B、C、N、O或F)掺杂的单层WS在红外光和可见光检测方面具广阔的应用前景。其次,我们基于密度泛函理论,用第一性原理的方法对5d过渡金属原子M(M=Hf、Ta、Re、Os、Ir、Pt、Au或Hg)掺杂单层WS的结构、电子性质和磁性进行研究。首先,形成能表明,这些掺杂体系在富S条件下更易于制备。其次,研究发现,原子Hf掺杂到单层WS中,其宿主材料的性质没有变化,仍然为非磁性半导体,但是其带隙由1.812 e V减小到了0.124 e V。而在5d过渡金属原子M(M=Ta、Re、Os、Ir、Pt、Au或Hg)掺杂后,单层WS由非磁性转变为磁性,磁矩分别为0.827,1,2,3,4,1,和2μ。其中,对于过渡金属Ta,Re,Os,Ir和Pt掺杂的单层WS,磁性主要来源于5d过渡金属掺杂剂,而对于Au和Hg原子掺杂的系统,磁性主要来源于掺杂剂周围的S原子和W原子所产生的诱导磁矩;在Ta、Re、Os原子掺杂后,宿主材料由原来的半导体变为金属;有趣的是Au原子掺杂到单层WS中成为半金属,可以作为铁磁材料被应用。我们希望本研究将对探索纳米电子学和自旋电子器件的新型磁性材料有所帮助。