锑烯基异质结自旋电子结构的调控

Spintronics of low-dimensional system is one of the fronts in physics. The control of spin electrons in heterostructures is not only intriguing and challenging from a fundamental scientific point of view but also very important for the potential applications in nanoelectronics, spintronics, as well as ultradense memory and transport devices. In antimonene/phosphorene and antimonene/arsenene heterostructures, the electronic properties of each layer are preserved inside, while there will induce spin electrons in the interfaces because of the transfer and separation of lone-pair electrons, the breaking of symmetry in structure, and the relative shift of energy band, leading to low-dimensional spin electronic tunnel. As a result, the binary data is recorded by the "up" or "down" spin electrons with no energy compensation. In this project, the first-principles methods based on density functional theory (DFT) will be employed to investigated the spin electronic structures of heterostructures based on antimonene. The spin electronic structures will be controlled by strain and static electric field. The influences of the size and direction of the strain and static electric field will be mainly focused on. The potential physical mechanism will be analyzed, and the way to control the spin electronic properties of the heterostructures based on antimonene will be explored. This study will provide a reliable theoretical basis for the preparation and application of spin electronic devices based on antimonene heterostructures.

低维体系自旋电子学的研究是当今物理研究的前沿领域之一。半导体异质结中自旋电子的调控不仅有着重要的科学研究意义，而且在电子学、自旋电子学、高密度存储与输运等方面有着广泛的应用前景。锑烯与磷烯、砷烯等形成的异质结构，其内部几乎保留了各自单原子层的电子结构特征，而界面处孤对电子的转移或拆离、结构的对称性破缺以及能带的相对移动将产生自旋电子，从而产生低维自旋电子通道，通过电子的“向上”或“向下”自旋取向记录二进制数据，且无能量损耗。本项目将采用基于密度泛函理论的第一性原理研究方法，通过在锑烯/磷烯、锑烯/砷烯等异质结构界面处施加应变、静电场等手段，对其自旋电子结构进行调控。重点研究应变和静电场的大小、方向对自旋电子结构特征的影响，并分析相关的物理机制，探索对锑烯基异质结构自旋电子特性进行调制的新思路和新途径，为相关的物理实验和锑烯基异质结构等自旋电子器件的制备和应用提供可靠的理论依据。

半导体异质结中自旋电子的调控不仅有着重要的科学研究意义。锑烯与磷烯、砷烯等形成的异质结构，其内部几乎保留了各自单原子层的电子结构特征，而界面处孤对电子的转移或拆离、结构的对称性破缺以及能带的相对移动将产生自旋电子，从而产生低维自旋电子通道，通过电子的“向上”或“向下”自旋取向记录二进制数据，且无能量损耗。本项目采用基于密度泛函理论的第一性原理计算方法，对锑烯基二维异质结的自旋电子结构进行了计算研究。具体研究内容如下：.一、构建了磷烯/砷烯、砷烯/锑烯、磷烯/锑烯异质结构，并对其施加了双轴应变，来达到调控电子结构的目的。结果表明双轴应变可以有效地调控异质结构的带隙及能带类型，当应变超过±6%时，异质结构转变为金属属性。.二、研究了二维垂直Te/VS2异质结构的铁磁半金属性质，通过计算机模拟得到能带结构、自旋密度图、电荷密度图、态密度以及电子结构并对其进行分析，得出了通过构建异质结构，异质结构的性能较单一态的二维垂直Te以及三维VS2材料在铁磁性方面有了显著的提高，这为Te/VS2异质结构在今后铁磁性的应用方面提供了理论支持。.三、通过对Blue P/La2PI2异质结构的电子结构和离子迁移进行研究，结果表明Blue P/La2PI2异质结具有较高的键能、良好的电子和离子导电性，是一种很有前途的锂离子电池阳极材料。.四、研究了蓝磷烯/砷烯的横向异质结构(A-Z、Z-A、A-A和Z-Z)不同边缘接触对横向异质结电子结构的影响。另外，计算的带边位置和光吸收性能的研究结果表明，Z-A和A-A蓝磷/砷烯横向异质结具有适宜的光催化分解水的带边条件，这也为其在光催化分解水领域的应用提供了可能。且计算发现Z-A结构具有II型能带排列，这使得Z-A蓝磷/砷烯横向异质结更适合于光催化水分解领域的应用。.五、研究了InP/InAs Z-Z/A-A横向异质结构单轴及双轴应变对异质结构电子结构的影响。结果表明Z-Z InP/InAs横向异质结具有6.954×103 cm2•V−1•s−1的空穴载流子迁移率。Z-Z(A-A)InP/InAs横向异质结在单轴应变(a向和b向)和双轴应变(ab方向)下表现出优异的电子性能。