二维层状材料/铁酸铋异质结界面效应调控铁电、铁磁及电学性能研究

Two-dimentional layered materials/BiFeO3(BFO) heterostructures have potential applications in the fields of ferroelectric storage, photocatalysis, solar cells and so on. How to realize the control of ferroelectric, ferromagnetic and electrical properties of two-dimentional layered materials/BFO heterostructures is a difficult problem in the present research. Interface effect plays an important role in modulating the physical properties and microstructures of heterostructures. This project will focus on the interface effect of graphene (MoS2)/BFO heterostructures, exploring its influence on the ferroelectric, ferromagnetic and electrical properties of heterostructures. The ferroelectric, ferromagnetic and electrical properties of graphene (MoS2)/BFO heterostructures are firstly calculated by using density functional theory. At the same time, the physical mechanism is analysed from the geometric configuration, electric structure and boning mechanism at the interface of graphene (MoS2)/BFO heterostructures. For the experimental side, we will prepare graphene (MoS2)/BFO heterostructure samples and investigate their ferroelectric, ferromagnetic and electrical properties. The structures and interfacial features of the heterostructures will be analyzed by using XRD, HRTEM and so on. And later the connections between the physical behaviors and the interfacial structural features of the heterostructures will be studied. The comparative analyses between the experimental and theoretical results will be performed to reveal the microcosmic physical mechanism as to how the interface effect influences the ferroelectric, ferromagnetic and electrical properties of the heterostructures. Our research could provide theoretical basis and experimental guidance for improving the ferroelectric, ferromagnetic and electrical properties of the heterostructures.

二维层状材料/铁酸铋异质结在铁电存储、光催化、太阳能电池等领域具有潜在的应用价值。如何实现对该异质结的铁电、铁磁及电学性能的调控是目前研究的难点。界面效应在异质结的物理性能及微结构的调控方面起着关键作用。本项目以石墨烯(二硫化钼)/铁酸铋异质结中界面效应为出发点，探索其对异质结铁电、铁磁及电学性能的影响规律。一方面，基于密度泛函理论，对石墨烯(二硫化钼)/铁酸铋异质结的铁电、铁磁及电学性能进行计算，并从界面处几何构型、电子结构及成键机制等方面进行分析；另一方面，制备石墨烯(二硫化钼)/铁酸铋异质结并对其铁电、铁磁及电学性能进行测试，同时利用XRD、HRTEM等分析方法对异质结进行结构及界面分析，准确地将物理行为与其界面结构特征关联起来。最后结合理论计算和实验观测结果，揭示界面效应影响异质结铁电、铁磁及电学性能的微观物理机制和基本规律，为提高异质结铁电、铁磁及电学性能提供理论依据和实验指导。

众所周知，铁电异质结中利用铁电极化可以实现对电子器件性能的有效调控，以MoS2，石墨烯为代表的二维层状材料在光学、电学等方面表现出优异的物理性能。因此，铁电材料与二维层状材料的复合结构近年来受到了人们的广泛关注。本项目主要研究内容包括：1) 基于密度泛函理论，采用杂化泛函方法对BiFeO3和单层MoS2及其异质结的电子结构、光学性质及磁性能进行了系统的研究。分别探索了R3c结构的BiFeO3不同极化面（Fe-Bi、Fe-O和Bi-O）与单层MoS2结合的情况，对异质结的界面几何结构、界面电子结构、形成能、体系的光吸收系数及磁性能进行了计算分析。计算结果表明，不同极化面及异质结堆叠方式对界面间距、体系磁矩大小及界面的能带排列有较大的影响。2) 对由石墨烯和二维铁电材料GeS构成的异质结的电学及铁电性能进行了理论研究。研究发现两者构成异质结后，石墨烯和GeS的固有性能被保存下来，并且两者构成的异质结有利于提高光催化效率。并且研究发现GeS相对于石墨烯的能带位置可以通过调节二者的层间距离来控制，进而可以控制二者形成的范德瓦尔斯异质结的肖特基势垒的高度。此外，二者形成的异质结的自发极化强度（186.6µC/cm2）及能垒高度相比单一的二维GeS材料均有所提高，即表现出增强的铁电性能。进一步的研究发现，压应变对异质结的自发极化强度及能垒高度均有较大的影响。3) 对MoS2/GeS异质结的电子结构及光学性质进行了系统研究，并探索了界面间距、应变和电场对异质结电子结构光学性能的影响。研究结果表明，MoS2/GeS异质结是II型能带排列，该能带排列有利于光生电子-空穴对的分离。此外，该异质结相比单一材料表现出增强的光吸收 (>105)。进一步研究发现，通过应变和电场等手段可以实现对MoS2/GeS异质结能带排列及光吸收系数的有效调控。以上研究结果揭示了铁电异质结中界面效应影响体系铁电、铁磁及电子结构的微观物理机制和规律，提供了对异质结电子结构调控的有效方法。项目研究成果为实验上设计新型、高效的光电器件及自旋电子器件提供了理论基础和指导。