电场和边界修饰对新型低维半导体褶皱材料电子和磁性的调控研究

The electronic and magnetic properties of low-dimensional semiconductor materials have attracted considerable attention due to their potential applications in field-effect transistors, light-emitting devices, and spintronics. In view of the widespread existence of wrinkles in low-dimensional materials and the controllable periodic wrinkles achieved in experiments, we study the effects of edge decorations and external electric field on the electronic and magnetic properties of nanoribbons with periodic wrinkles, i.e., planar graphene nanoribbons, boron-nitride nanoribbons, and wrinkled phosphorene nanoribbons, by using first-principles calculations. First, we study the strain distributions and the relative stabilities of different wrinkled nanoribbons. Based on the former investigations, we further study the modulation of the edge magnetism and electronic structures of the wrinkled nanoribbons with various heights and curvatures, by diverse edge decorations and external electric field, especially the modulation mechanisms of the band edges, the electronic states in opposite spin directions, and the magnetic distributions. Finally, we will find out a general rule of tuning the electronic states adjacent the Fermi Level and the magnetic properties of one-dimensional wrinkled nanoribbons. This project will service as a theoretical instrument in the future design of spintronic devices, and further improve the development of the functional devices.

由于在场效应晶体管、光发射器件和自旋电子器件等方面巨大的应用潜力，低维半导体材料的电子和磁性受到了广泛的关注。基于低维材料中褶皱现象的普遍存在和实验上可控周期性褶皱的实现，本课题选取三种代表性的一维纳米带，单原子厚度的单质石墨烯纳米带、化合物硼氮纳米带，以及双原子层厚度的黑磷纳米带，利用第一性原理计算方法研究在周期性褶皱存在时，外加电场和边界修饰对其电子和磁性的调控机理。首先对比研究不同褶皱纳米带的相对稳定性及局部应力的分布特征。在此基础上，进一步研究通过广泛的边界修饰和外加电场对不同高度和曲率的褶皱纳米带边界磁性和电子结构的调控作用，尤其是对带边特性、相反自旋方向上的电子态以及磁矩分布的调控机制。最后，探讨调控一维褶皱纳米带费米能级附近电子结构和边界磁性的一般规律。本课题将对未来自旋电子器件的设计提供理论指导，并促进功能化器件的研究开发。

低维半导体材料电子和磁性的调控对扩展其在纳米和自旋电子器件等领域中的应用非常关键，受到人们越来越多的关注。低维材料中褶皱出现的主要原因是存在应力，通过将不同单层材料堆叠起来形成范德瓦尔斯异质结，更方便研究应力、电场等多重手段对其电子及磁性的调制。针对这一关键性科学问题，本项目组展开了以下研究：（1）层间应力和空穴掺杂对SnS2/WSe2异质结电子和磁性的调控；墨西哥帽状能带色散(MHBE)对于在单层金属单硫化合物中实现空穴掺杂诱导磁性至关重要，而在过渡金属二硫化合物（如WSe2）中却不存在。本项目研究发现，通过施加层间压缩应力（~15%），可以在SnS2/WSe2范德瓦尔斯异质结的价带顶成功调制出MHBE，从而通过在一定密度范围内掺杂空穴可以实现磁性的引入，并且掺杂的密度范围随着所施加的应力大小发生了变化。MHBE的引入可归因于层间应力作用下WSe2层三棱柱晶体场的畸变，导致了价带顶(M点)的W_dxy,dx2-y2态能级下降，而Γ点附近的W_dz2态能级上升，从而在层间应力达到并超越15%时Γ点附近的电子态占据了体系的价带顶。此项研究成果将基于MHBE的磁性诱导从单层金属单硫化合物扩展到基于二维过渡金属二硫化合物的异质结中。（2）外加电场对低维半导体材料电子及光吸收特性的调控；研究发现，外加电场可以有效调制范德瓦尔斯异质结（ZrS2/HfS2，ZrS2/SnS2，ZrS2/HfSe2，BP/h-BN）的能带类型和光吸收特性。通过施加正负外加电场，均可以将ZrS2/HfS2（±0.5 V/Å）、ZrS2/SnS2 (±0.4 V/Å)异质结本征的能带排列从I型调制为II型，价带顶和导带底分别由不同层贡献，从而实现电子空穴对的空间分离，有效提高载流子寿命，有益于其在光催化领域内的应用；另外，我们还发现ZrS2/HfSe2异质结具有本征的II型能带排列，在紫外波段表现出优越的光吸收特性（~10^6）。我们认为本项目的研究成果能为低维半导体材料在纳米、自旋电子器件及光催化领域的应用提供重要的指导和理论支撑。