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离子液体与不同二维材料作用机制的理论研究

离子液体与不同二维材料作用机制的理论研究

作者：朱琳青岛大学

学位级别：硕士

离子液体具有可设计性、导电性好、以及难挥发等特点,在对二维材料进行非共价掺杂时能保持二维材料结构的完整性,是作为电解质和剥离二维材料的理想液体。研究离子液体和二维材料的界面作用对优化电池、超级电容器和光电纳米器件的性能... 详细信息

离子液体具有可设计性、导电性好、以及难挥发等特点,在对二维材料进行非共价掺杂时能保持二维材料结构的完整性,是作为电解质和剥离二维材料的理想液体。研究离子液体和二维材料的界面作用对优化电池、超级电容器和光电纳米器件的性能至关重要。论文主要研究内容如下:(1)基于密度泛函理论(DFT)研究了不同离子液体(ILs)吸附在α相和β相的磷烯(P)和砷烯(As)表面吸附时的界面性质。以N-甲基吡啶([MPI])、1-乙基-3-甲基咪唑([EMIM])和四甲基铵([TMA])三种阳离子与三氟甲磺酸根([TFO])、四氟硼酸盐([BF])和氯离子([Cl])三种阴离子组合形成的九种代表性ILs作为研究对象,考察它们在不同相的二维磷烯和砷烯纳米片上的吸附行为,以探索ILs的吸附对二维材料的电子和光学性质的影响。计算得到的结构、吸附能和电荷转移表明,ILs与P和As纳米片之间的相互作用以非共价力为主,最稳定的吸附结构对应于阳离子和阴离子共同与表面作用,该特征与ILs和表面的类型无关。通过比较α相和β相对应的吸附体系可以发现,ILs的吸附导致β相的P和As的电子性质和光学性质的变化比α相要明显的多,即α相的性质对离子液体的掺杂要相对惰性一些,而β相则对离子液体的影响比较敏感。上述结果表明吸附性质不仅与化学元素有关,而且与相结构密切相关。我们的计算结果可为进一步拓宽ILs和磷烯(砷烯)杂化材料的应用领域提供理论参考。(2)采用相同的计算方法,研究了上述九种离子液体与MoXY(X,Y=O,S,Se,Te)纳米片的界面作用机制。计算结果表明,janus MoXY二维材料的两面电负性差距大时,其吸附能和电荷转移量与本征材料有明显差别,而极性小的janus MoXY则与母体材料相似。离子液体的吸附对不同MoXY纳米片的电子和光学性质的影响可分为以下五类(说明:ILs/MoOS表示ILs吸附在S面,ILs/MoSO表示ILs吸附在O面):第一类,九种离子液体吸附在MoOS和MoOSe表面后,体系的带隙均无明显变化;第二类,含有Cl阴离子的ILs的吸附导致MoSeO、MoTeS、MoTeSe纳米片的电子和光学性质发生明显变化;第三类,含有[MPI]阳离子的ILs的吸附导致MoTe、MoSTe、MoSeTe纳米片的电子和光学性质发生明显变化;第四类,含有[MPI]阳离子或[Cl]阴离子的ILs的吸附导致MoSe、MoSSe纳米片的电子和光学性质发生明显变化;第五类,含有[TFO]或[Cl]阴离子的ILs的吸附导致MoO、MoSO、MoS和MoSeS纳米片的电子和光学性质发生明显变化。我们计算所得到的结果可以为基于Mo的二维金属氧化物、硫化物以及相应的janus材料在能源、电子、光电子和催化等领域的潜在应用提供理论依据。

关键词：密度泛函理论离子液体磷烯砷烯二维janus材料

基于机器学习和第一性原理计算的janus材料预测

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物理学报 2024年第23期73卷 18-27页

作者：张桥谭薇宁勇祺聂国政蔡孟秋王俊年朱慧平赵宇清湖南科技大学物理与电子科学学院智能传感器与新型传感器材料湖南省重点实验室湘潭411201 湖南大学物理与微电子科学学院长沙410082 中国科学院微电子研究所硅器件中心重点实验室北京100029 中国科学院半导体研究所超晶格国家重点实验室北京100083

寻找尺寸小、稳定性高和易操控的纳米磁结构——磁斯格明子(magnetic skyrmion),是发展下一代高密度、高速度和低能耗非易失性信息存储器件核心存储单元的关键.磁性斯格明子根据其拓扑产生机制,可以由非中心对称结构诱导的DMI(Dzyaloshi... 详细信息

寻找尺寸小、稳定性高和易操控的纳米磁结构——磁斯格明子(magnetic skyrmion),是发展下一代高密度、高速度和低能耗非易失性信息存储器件核心存储单元的关键.磁性斯格明子根据其拓扑产生机制,可以由非中心对称结构诱导的DMI(Dzyaloshinskii–Moriya interaction)作用项产生.二维janus结构具有两个不同面的原子层,可以形成垂直内建电场,打破中心空间反演对称性.因此寻找具有本征磁性的二维janus材料是研究新型磁存储的基础.本文基于晶体材料数据库Materials Project中的1179种六角晶系ABC型janus材料数据,以其元素组分信息为特征描述符,构建了随机森林、梯度提升决策树、极端梯度提升和极端随机树等四种机器学习模型,基于上述模型对晶格常数、形成能和磁矩分类进行了预测,并采用十折交叉验证法对模型进行了评估.梯度提升决策树在磁矩分类预测显示出最高的精度和泛化能力.最后,基于上述模型对尚未发现的82018种二维janus材料进行了预测,筛选得到4024种具有热稳定性的高磁矩结构,并基于第一性原理的方法对其中随机抽样的13种高磁矩结构进行了计算验证.本研究为二维janus材料磁矩分类和高通量筛选训练了有效的机器学习模型,加速了二维janus结构磁性的探索.本文数据集可在https://***/10.57760/sciencedb.j00213.00072中访问获取.

关键词：机器学习二维janus材料磁矩第一性原理计算

二维磁性janus体系能谷及拓扑性质的理论研究

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二维磁性Janus体系能谷及拓扑性质的理论研究

作者：李聪玲山东师范大学

学位级别：硕士

随着电子器件逐渐小型化和集成化的发展,利用电子电荷自由度进行信息编码的传统半导体电子器件的缺点逐渐显露出来,摩尔定律的预言开始出现了偏差。这使得科研人员在不断改进原有器件制备工艺的同时,还需要去寻求一种更佳的编码自由度... 详细信息

随着电子器件逐渐小型化和集成化的发展,利用电子电荷自由度进行信息编码的传统半导体电子器件的缺点逐渐显露出来,摩尔定律的预言开始出现了偏差。这使得科研人员在不断改进原有器件制备工艺的同时,还需要去寻求一种更佳的编码自由度。除了电荷自由度外,科学家们发现电子还具有内禀的自旋和能谷自由度。其中,基于对电子自旋自由度的研究,形成了自旋电子学。然而,因为三维材料能谷的简并性不容易被打破,直到二维材料出现,以研究能谷自由度为主的能谷电子学才逐渐发展起来。到目前为止,已经有许多谷功能器件被提出,例如谷逻辑门、谷阀和谷滤波器等。在二维材料中,过渡金属硫化物（TMDs）凭借本征的空间反演对称性破缺结构,成为了研究能谷电子学的理想材料。TMDs的第一布里渊区内存在一对简并但不等价的能谷,打破能谷的简并,非简并的两个能谷之间将会出现谷极化,谷极化的存在让应用能谷自由度进行信息的编码、处理和存储等逻辑计算成为可能。二维材料能谷的简并可以通过光泵浦、磁性原子数掺杂、外加磁场等外部调控手段打破。此外,能谷相关霍尔效应的存在,不仅极大的丰富了原有的霍尔效应家族,而且为新一代的半导体电子信息器件的研究提供了新的思路。随着能谷电子学的发展,人们发现具有本征的时间和空间反演对称性破缺的二维磁性材料,能够自发的产生谷极化。这种自发的谷极化具有稳定性和易调控的特点,一经发现就成为了能谷电子学研究的热点。近年来,在某些二维磁性半导体中,例如MBr（M=Ru,Os）、Fe Cl、Mn BiTe中人们还发现了拓扑性质,这使二维磁性半导体成为研究能谷电子学和拓扑学的一个理想的平台。另外,将两种不同的二维单层材料构建范德华异质结,可以在有效保留原有单层性质的同时,产生一些新奇的性质和现象,是目前研究多功能电子器件的常用方法。在上述研究背景的基础上,本文利用第一性原理计算的方法,对二维磁性Jauns材料VSe X（X=S,Te）和OsClBr的电子结构、稳定性、磁基态、谷极化以及拓扑性质进行了系统性的研究。通过研究我们发现,在janus VSe/VSe X（X=S,Te）异质结中,衬底的类型和电极化方向可以调控异质结的谷极化、自旋极化和能带类型。此外,我们发现当施加拉伸应变时OsClBr会产生了拓扑相变,拓扑相变产生的主要原因是Os原子的(9与(9,(922轨道之间发生能带反转。最后,我们还发现施加双轴应变、增加层数、改变堆叠构型等方法可以有效地对材料的谷极化或拓扑性质进行调控。本论文的具体研究内容如下:*** VSe/VSe X（X=S,Te）异质结中的结构调控谷极化和反常谷霍尔效应铁谷材料具有自发的谷极化,是研究能谷自由度的理想平台。对谷极化和反常霍尔电流的有效调控是谷自由度应用于信息编码的关键。在这项工作中,为了研究janus异质结对能谷性质的调控作用,我们构建了janus VSe/VSe X（X=S,Te）异质结。通过第一性原理计算的方法研究发现,VSe/VSe X异质结具有自发的谷极化。此外,janus VSe X的本征电极化与异质结层间电极化之间的共同作用,可以有效地调控异质结的自旋极化和谷极化。同时,改变异质结的堆叠构型、施加双轴应变和改变层数,不仅可以有效调控异质结的谷极化和能带类型,而且在Te构型中发生了半导体到金属的相变。另外,当异质结的衬底从VSe S切换为VSe Te时,K和K'谷将表现出相反的自旋符号和谷极化。据此,我们设计了一种低功耗器件,可以实现无外场调节的多状态存储。本研究为自旋和能谷电子学器件的性质调控提供了一个新的研究思路。2.双极铁磁半导体OsClBr中应变和堆叠依赖的拓扑相变能谷电子学和拓扑学的结合在凝聚态和材料物理学领域中具有重要的意义,寻找同时具有谷极化和拓扑性质的材料是目前二维材料研究的热点之一。利用第一性原理计算,我们预测了一种双极铁磁半导体材料OsClBr,它具有鲁棒的面外易磁化方向和高的居里温度。得益于其强的自旋轨道耦合效应以及局域d电子的本征交换相互作用,OsClBr可以实现高达87.5 me V的自发谷极化。此外,通过施加拉伸应变可以让OsClBr产生从铁谷（FV）到半谷金属（HVM）到谷极化量子反常霍尔（VQAH）相的拓扑相变,拓扑相变产生的原因可以归因于Os原子的(92和(9,(922轨道之间的能带反转。另外,我们只在b-1构型的双层OsClBr中发现了本征的拓扑性质,证明双层OsClBr具有堆叠依赖的拓扑相变。有趣的是,相较于单层,b-1构型的VQAH相在更宽的应变范围内具有鲁棒性,这使双层b-1构型在量子态的调节方面更有优势。

关键词：二维janus材料第一性原理计算谷极化拓扑相变

二维janus VSeX（X=Cl，Br，I）单层及其异质结的电子结构与Rashba自旋轨道耦合

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二维Janus VSeX（X=Cl，Br，I）单层及其异质结的电子结构与Rashb...

作者：王崇鑫天津理工大学

学位级别：硕士

自旋轨道耦合（Spin orbit coupling,SOC）提供了使用电学调控自旋磁矩的可能,在自旋电子器件领域起到了至关重要的作用。具有Rashba SOC效应的二维janus 2H-VSe X（X=Cl,Br,I）层状材料容易受电场调控,有利于电路集成,有望应用于新一... 详细信息

自旋轨道耦合（Spin orbit coupling,SOC）提供了使用电学调控自旋磁矩的可能,在自旋电子器件领域起到了至关重要的作用。具有Rashba SOC效应的二维janus 2H-VSe X（X=Cl,Br,I）层状材料容易受电场调控,有利于电路集成,有望应用于新一代的电子器件中。因而,二维janus 2H-VSe X（X=Cl,Br,I）成为重点研究对象。本论文基于第一性原理,围绕单层janus 2H-VSe X（X=Cl,Br,I）开展了以下主要研究工作:1.本文系统地阐述了单层janus 2H-VSeX（X=Cl,Br,I）的能带轨道组分、界面电势、偶极矩、电子转移和Rashba自旋。计算显示单层janus 2H-VSe X（X=Cl,Br,I）在Γ点附近的价带出现大的Rashba自旋劈裂(α=0.093 e V·（?）,α=0.163e V·（?）,α=0.180 e V·（?）)。采用-6%-6%的双轴应变深入探究应变对Rashba自旋劈裂的影响。结果表明压缩应变显著提升了Rashba参数,其中,-6%的压缩应变使得单层2H-VSe Cl、2H-VSe Br和2H-VSe I的Rashba参数最大分别提升了4.35、3.59和3.70倍。单层2H-VSe I的Rashba参数α在-6%应变下实现了最大值,α/α为0.6613/0.6621 e V·（?）。压缩应变下,单层janus 2H-VSe X（X=Cl,Br,I）出现了Rashba SOC与帽子形状色散的耦合,这种耦合的发生增强了Rashba效应。此外,单层2H-VSeCl与单层2H-VSe I在6%的拉伸应变中分别发生了非磁Rashba半导体-磁性金属的转变及Rashba半导体-Rashba金属的转变。单层2H-VSe Br和2H-VSe I在拉伸应变了表现出具有螺旋带隙的特征。2.选取Rashba效应最具代表的单层2H-VSeBr为例,研究极性janus 2H-VSe X（X=Cl,Br,I）的双层结构以及Zn O/2H-VSe Br异质结的Rashba效应。在双层堆垛中发现Rashba SOC只可能存在于界面原子属性不同且空间对称破陷的双层2H-VSe Br中。且Rashba SOC在磁性体系会变弱,证实了Rashba SOC与2H-VSe Br的磁交换作用的竞争关系。构建了两种原子界面的Zn O/2H-VSe Br异质结,其中I-C12 Zn O/2H-VSe Br异质结具有最大的Rashba参数α(0.696 e V·（?）)。Zn O/2H-VSe Br异质结在应变的施.加下显示出I、II和III的带型的变化,并出现了帽子状的色散与Rashba SOC在价带顶耦合,这种特殊的能带结构对于自旋-电荷的转换意义非凡。应变显著增强了Zn O/2H-VSe Br异质结的Rashba SOC,在施加2%的Rashba自旋劈裂最大,其α最大可达0.842 eV·（?）。

关键词：第一性原理 Rashba SOC 二维janus材料异质结自旋-电荷转换

二维janus 2H-VSeX（X=S、Te）单层及异质结构的电子结构和磁性

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二维Janus 2H-VSeX（X=S、Te）单层及异质结构的电子结构和磁性

作者：齐胜美天津大学

学位级别：硕士

二维janus材料是一种新型的二维材料,在纳米电子学、光电子学和自旋电子学领域具有潜在的应用前景。具有本征铁磁性、电偶极矩、谷极化和Dzyaloshinskii-Moriya相互作用(DMI)的二维janus材料为多功能自旋电子器件的发展提供了新平台。... 详细信息

二维janus材料是一种新型的二维材料,在纳米电子学、光电子学和自旋电子学领域具有潜在的应用前景。具有本征铁磁性、电偶极矩、谷极化和Dzyaloshinskii-Moriya相互作用(DMI)的二维janus材料为多功能自旋电子器件的发展提供了新平台。由于界面近邻效应,石墨烯和二维磁性材料构成的二维范德华异质结构将具有许多新奇的物理性质。本论文利用密度泛函理论,系统地研究了二维janus 2H-VSeX(X=S、Te)单层材料的电子结构和磁性,分析了面内双轴应变、近邻效应、电场和层间距对电子结构和磁性的影响。单层2H-VSeX是具有面内磁各向异性的室温本征铁磁性半导体。考虑自旋-轨道耦合效应(SOC)和面外磁化方向时,单层2H-VSeX具有谷极化现象。由于中心反演对称性破缺,单层2H-VSeX具有自发垂直电偶极矩和DMI。面内双轴应变可以有效地增大单层2H-VSeX的V原子磁矩、谷劈裂值和DMI。上述结果表明在低维自旋电子学和能谷电子学领域,单层2H-VSeX具有潜在的应用前景。由于界面近邻效应,石墨烯/2H-VSeX异质结构中的石墨烯的狄拉克锥打开带隙。考虑SOC和面外磁化方向时,石墨烯/2H-VSeX异质结构中的石墨烯在K和K’点处具有谷极化现象。与纯净的单层2H-VSe Te相比,石墨烯/2H-VSe Te异质结构的谷劈裂值和DMI均增大。电场、层间距和面内双轴应变可以调控石墨烯/2H-VSe Te异质结构的电子结构和磁性。面内双轴应变对石墨烯/2H-VSe Te异质结构的DMI的影响最为显著。另外,降低层间距可以有效地增大石墨烯/2H-VSe Te异质结构中石墨烯的谷劈裂值。这些结果表明在纳米电子学、自旋电子学和能谷电子学领域,二维石墨烯/2H-VSe Te异质结构具有潜在的应用前景。

关键词：二维janus材料范德华异质结构谷极化磁各向异性 Dzyaloshinskii-Moriya相互作用

具有可调电学和光学性质的双层和三层janus Ga_(2)SSe

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原子与分子物理学报 2023年第6期40卷 130-140页

作者：刘慧莹王敏侯廷平吴开明林恒福武汉科技大学理学院冶金工程过程系统科学湖北省重点实验室武汉430081 武汉科技大学高性能钢协同中心省部共建耐火材料与冶金国家重点实验室武汉430081

将二维(2D)层状材料的单层堆叠成双层或者少数层,可以很好的调节其光电性质,为该领域发展提供了新的机遇.本文采用第一性原理方法系统地研究了堆叠层数和堆叠次序对双层和三层janus Ga_(2)SSe的电学和光学性质的影响.我们发现这些结构... 详细信息

将二维(2D)层状材料的单层堆叠成双层或者少数层,可以很好的调节其光电性质,为该领域发展提供了新的机遇.本文采用第一性原理方法系统地研究了堆叠层数和堆叠次序对双层和三层janus Ga_(2)SSe的电学和光学性质的影响.我们发现这些结构的层间距差别很大,而结合能差异却很小.尽管所有的双层和三层janus Ga_(2)SSe具有间接带隙,然而其带隙值和载流子有效质量与堆叠层数和堆叠次序密切相关.此外,在janus Ga_(2)SSe中,通过增加层数,可以增强其在可见光和紫外区域的吸收系数.同时,通过控制层间堆叠模式,进一步调制其吸收系数,导致在可见光和近紫外区域产生多个吸收峰.我们的结果为双层和三层janus III族单硫化合物的可调节电学和光学性质提供了有价值的见解,这表明其可能在纳米电子和光电子器件中有着广阔的应用前景.

关键词：二维janus材料堆叠层数堆叠次序第一性原理电学性质光学性质