基于类石墨烯过渡金属硫化物构建自旋电子器件的输运调控及理论设计研究

As a result of widely potential applications in the design of spintronic device，the transport property of graphene-like transition-metal dichalcogenides is attracted increasing attention. We will investigate the electronic structure of nanoribbon, spin transport modulation, and the carrier mobility and design for the spintronic devices based on graphene-like transition-metal dichalcogenides, aiming at the existent problems such as unclear mechanism, weak transport modulation and so on. Our research contains: (1) Analyzing the electronic structures of graphene-like transition-metal dichalcogenides nanoribbon, exploring the modulation effect of doping and spin-orbit coupling on the spin-dependent edge state, and improving the spin polarization rate of the carriers. (2) Clearing the effect of the applied electric field, magnetic field, spin-orbit coupling, and temperature on the spin transport, clarifying the physical mechanism of spin transport modulation, and explaining the unusual spin-dependent phenomenon after modulation. (3) Developing the calculation model of the carrier mobility through using the Boltzmann transport theory, predicting the transport property after the doping and temperature modulation, constructing the spintronic devices with novel structure and superior performance, and providing theoretical basis to the design of the actual spintronic devices.

类石墨烯过渡金属硫化物的输运特性是国内外最新研究热点，其在自旋电子器件的设计中具有广阔的应用前景。本项目针对基于类石墨烯过渡金属硫化物自旋电子器件的输运调控机理不明确、调制度不高等问题，以类石墨烯过渡金属硫化物纳米带的电子结构、自旋电子器件中输运调控机理、载流子迁移率以及理论设计等为研究对象，从以下方面展开研究：1) 通过对类石墨烯过渡金属硫化物纳米带电子结构的分析，研究掺杂和自旋轨道耦合对自旋相关的边缘态调控，提高载流子的自旋极化率；2) 明晰电场、磁场、自旋轨道耦合以及温度等对器件中自旋输运性质的影响规律，阐明自旋输运的调控机制，对奇异的自旋输运现象进行科学解释。3) 利用玻尔兹曼输运理论构建物理意义明确的载流子迁移率计算模型，预测经各种手段调制后的自旋输运性质，构造具有结构新颖、性能优越的自旋电子器件。本项目的研究结果将为实际的自旋电子器件的设计提供理论依据。

新型电池电极材料和纳米自旋电子材料是目前化学与材料科学领域中的热点前沿。通过三年的研究，在新型电极材料的研究方面取得了突破，获得了一些创新性的研究成果。本项目的研究方向集中于利用计算模拟的方法深入研究二维类石墨烯过渡金属硫化物和新型电极纳米材料，通过与实验组的密切合作，阐明电子结构调控的物理机制，探索电极纳米材料的离子输运机理，推动了相关实验研究的快速发展，为技术创新和应用提供理论指导。本项目主要在三个方面开展了深入的研究工作：(1) 类石墨烯过渡金属硫化物的电子能带结构调控机制和功能化碳纳米管气体传感器设计；(2) 钠离子电极材料中Na离子输运模式机理; (3) 锂离子电极材料中Li离子迁移行为。近三年共发表SCI文章5篇，这些文章获得了极高的国际关注。