过渡金属/二硫化钼薄膜异质结构的生长机制与电、磁性质的理论研究

The use of two dimensional (2D) nanosheets as synthetic templates for the growth of other 2D nanostructures, such as 2D heterojunction of transitional metal (TM) layer on MoS2 (TMs/MoS2), is a promising way towards the facile, economical and controllable preparation of novel functional hybrid nanomaterials. Based on first-principles calculations and some effective multi-scale methods, this proposal is to study the dynamical behaviors of nucleation and growth, geometrical structure, ferromagnetic coupling, spin-orbital coupling and spin resolved transport property of TMs growth on MoS2. And further investigate the influences of the defects, air molecules and the substrates on these 2D materials. We hope to provide some efficient theoretical predictions on growth and characterization of such new 2D materials and their applications on spintronic devices, and, the understanding of relevant scientific problems as well.

用已有的二维材料作为模板来生长其它的二维结构可以合成新颖的二维复合异质节材料，例如TMs/MoS2二维异质节结构。这类新型二维材料对各类低能耗、多功能器件的微型化发展有着重要的意义。本项目拟基于第一性原理计算和多尺度近似模拟方法，研究过渡金属原子在MoS2表面的成核生长动力学行为、结构特点、铁磁性、自旋轨道耦合、自旋电子输运等一系列问题。并在此基础上进一步讨论缺陷、气体分子、衬底等外部作用对材料的影响。希望在解决相关科学问题的同时，也为在实验上制备和表征这类新型二维材料以及制作和应用低维自旋电子器件提供系统的、有效的理论预测。

本项目的研究完成了预期计划中的机理研究、性能拓展和器件设计等多个方面。研究组系统研究了过渡金属在二硫化钼（MoS2）表面吸附、成核与生长的过程，发现多种不同的生长模式并解释了背后的物理机制。基于第一性原理计算，我们预测了一种二维Co/MoS2异质结构，这种材料具有稳定的铁磁和半金属性质；发现了Ru吸附在MoS2表面时的磁各向异性和Ru之间的铁磁耦合；设计了一种基于NiMoS2/MoS2的平面二维PN结的高性能光电探测器。这些研究成果为将来的纳米自旋电子器件、高密度存贮材料以及光电传感器件的开发与研制提供了思路与指导。在本项目研究过程中共发表SCI研究论文15篇，其中研究组成员以第一作者或通讯作者发表科研论文6篇，圆满完成了申报书中的研究计划和目的。