拓扑绝缘体/过渡金属二硫属化合物低维异质结构的第一性原理研究

Layered Bi2X3(X=Te,Se) materials are narrow-bandgap semiconductors and their thin films consisting of a few basic layers have spin-momentum locked metallic surface states due to the strong spin-orbit coupling. Single layers of transition metal dichalcogenides layered materials MX2(M=Mo,W; X=S, Se,Te）are direct-bandgap semiconductors and also have strong spin-orbit coupling. In this project, we propose to study the heterostructure composed of the topological insulator film Bi2X3 and the direct-bandgap single layer MX2 semiconductor. Using first principles methods, we aim to unveil the nature of the interaction, atomic configuration and charge transfer at the interface, and understand the tuning effects of band alignment, interfacial lattice strain, and the modulation of the topological surface and interface states of Bi2X3 by the strong spin-orbit coupling in MX2. The expected results are important not only for providing an approach to tune the Fermi-level of Bi2X3 for realizing the characteristic topological transport but also for finding a class of novel heterostructures with multiple functions combining topological insulator features and superior opto-electronic properties.

窄带隙半导体层状材料Bi2X3（X=Te、Se）具有很强的自旋-轨道耦合作用，少数单元层构成的Bi2X3薄膜即呈现出拓扑绝缘体特征，在其表面存在自旋-动量方向锁定的金属态。组成过渡金属二硫属化合物层状材料MX2（M=Mo，W；X=S，Se，Te）的单元层是直接带隙半导体并具有很强的自旋-轨道耦合作用。本项目将利用第一性原理计算，研究由V2VI3拓扑绝缘体薄膜与单层MX2直接带隙半导体结合构成的V2VI3／MX2低维异质结构，揭示层间相互作用、界面结构和电荷转移的特征、能带匹配和界面晶格应变导致的能带调制效应、以及MX2的强自旋-轨道耦对Bi2X3拓扑表面和界面态的影响。研究成果不仅对调控V2VI3拓扑绝缘体薄膜的费米能级、实现本征拓扑输运具有重要的指导意义，而且有希望发现一类同时具有拓扑绝缘体特征和优异光电子性质的多功能新型异质结构。

窄带隙半导体层状材料Bi2X3（X = Te，Se）具有很强的自旋-轨道耦合作用，少数单元层构成的Bi2X3薄膜即呈现出拓扑绝缘体特征，在其表面存在自旋-动量方向锁定的金属态。构成过渡金属二硫属化合物层状材料MX2（M = Mo，W；X = S，Se，Te）的单元层是直接带隙半导体并具有很强的自旋-轨道耦合作用。.本项目采用第一性原理计算，研究由Bi2Te3拓扑绝缘体薄膜与单层MoS2构成的MoS2/Bi2Te3异质结的结构堆垛和电子性质，异质结中的强自旋-轨道耦合引起的Rashba劈裂现象，以及界面电荷转移和内建电场等性质；采用两步合成方法构建了MoS2/Bi2Te3异质结构，系统研究了其在98K-293K温度区间的光致发光特征，并对其荧光猝灭现象进行了深入分析讨论。同时，实验上成功合成了MoS2、WS2、WSe2等过渡金属二硫属化合物纳米结构，并且对二维SnSe和二维Bi薄膜的表面电势分布特征和温度依赖拉曼效应特征进行了研究；采用第一性原理对二维硅烯的自旋劈裂和耦合行为、WS2/NbSe2异质结的锂离子扩散特征、以及二维 Sb/graphene/Sb体系中的非平凡拓扑相进行了深入探讨。.在本项目的资助下，在Physical Review Applied、Journal of Applied Physics、Nanoscale、Journal of Materials Chemistry A等知名学术期刊上发表SCI论文16篇，其中通讯作者论文14篇。项目负责人还作为第一完成人完成湖南省自然科学奖二等奖1项。研究成果将对发现光电性能优异的二维材料体系，阐明其中的新奇物理效应和机制具有重要的指导意义。