过渡金属元素掺杂调控准二维材料的电子结构和自旋极化性质研究

As representative quasi-two-dimensional materials, MoS2 and PbI2 have demonstrated excellent electrical properties. When the magnetism is introduced through doping, MXn may display half metal properties with spin polarization, which will be very promising in applications of semiconducting spintronic devices with high speed, lower power consumption, and small size. This project aims to investigate the electronic structure of monolayer, bilayer and heterostructure two-dimensional materials MXn (M=Mo, W or Pb, Y; X=S, Se or Br, I; n=2 or 3) with 3d transition metal doping by density functional theory combined with dynamical mean field theory methods, including the electronic states, work functions and band edges. The magnetic ground state configurations are also investigated through analyzing the electronic structure features in order to clarify the physical mechanism of the magnetic properties. Also, the 3d transition metal doping and ionic gating techniques have been developing to manipulate the magnetic properties of quasi-two-dimensional systems. The research achievements in this project have great scientific significances as follows. They can help us to understand the electronic states, the magnetic properties of quasi-two-dimensional materials induced by doping and the manipulation of magnetic properties. They also may enhance our understanding of the electronic structure and nature of magnetic properties modulation. These investigations will provide fruitful insights for further exploring and utilizing these materials in nano-spintronic devices.

以MoS2和PbI2为代表的准二维材料具有优异的电学性能，若通过掺杂的方法引入磁性使载流子产生自旋极化即半金属性，则其在高速、低功耗、小尺寸自旋电子器件中将有巨大的应用前景。本项目拟采用第一性原理计算结合动力学平均场理论方法，研究3d过渡金属元素掺杂的单层和双层准二维材料MXn (M=Mo, W或Pb, Y; X=S, Se或Br, I等; n=2或3)及其异质结构体系，确定不同元素掺杂和离子门控方法对体系电子态、功函数和带边位置的影响，同时研究3d过渡金属元素掺杂时的磁基态构型，分析具有磁有序体系的电子结构特点，阐明磁性产生的物理机制，发展利用掺杂和调节载流子填充浓度调控准二维材料磁性的方法。. 本项目的研究，对于理解准二维材料的电子态性质、掺杂诱导磁性机理及磁性调控等具有重要的科学意义，将增进人们对准二维材料电子结构和磁性调控性质的理解，并为其在纳米自旋电子器件领域的应用提供依据。

以MoS2和PbI2为代表的准二维MXn材料具有优异的电学、热学和光学性能,是目前凝聚态物理学、材料科学和微电子学等领域的前沿研究方向之一。尤其是通过3d过渡金属元素掺杂可以调控准二维材料的电子结构和自旋极化性质，使其在高速、低功耗、小尺寸自旋电子器件中有巨大的应用潜力。本项目采用第一性原理结合强关联计算方法，系统研究了单层和双层准二维材料MXn及其异质结构体系的电子结构和基本物理性质；并基于准二维材料MX3的多孔结构特征，提出了采用不同3d过渡金属元素掺杂构型来调控体系磁基态和电子结构特征的方法。并对不同种类和不同浓度的3d过渡金属元素掺杂，进行了全面系统的研究，探讨了其磁性产生的物理机理，发展利用变换掺杂构型和调节载流子填充浓度的方法来调控准二维材料的磁学性质。同时，我们也研究了通过引入不同的离子掺杂（Li、Na、K等）来调控体系的电子结构和电学、磁学与光学性质。项目执行期间，项目组发表SCI检索学术论文13篇，包括Nanoscale, Appl. Phys. Lett., J. Membrane. Sci., ACS Appl. Energ. Mater., J. Phys. Chem. C等。本项目对准二维材料的电子态性质、掺杂诱导磁性机理及磁性调控方面的研究，将增进人们对准二维材料基本电子态性质和磁性调控的理解，并为其在纳米自旋电子器件领域的应用奠定理论基础。