建立适于描述二维MoS2体系电子输运性质的紧束缚模型

Monolayer molybdenum disulfide(MoS2), as another experimentally accessible two-dimensional(2D) Dirac fermion material just following graphene, has recently drawn much attention. In contrast to graphene, monolayer MoS2 is a semiconductor with an appropriate bandgap. In addition, electronic spin and valley degrees of freedom are locked to each other in the low-energy electronic state. And electronic valley polarization is achievable via valley-selective circular dichroism. Just based on these unique electronic properties, monolayer MoS2 is thought to be superior to graphene in realizing some device functions. Motivated by the relevant experimental progresses, it is absolutely necessary to develop a tight-binding model to describe the electronic characteristics, in particular, the electronic transport property of 2D MoS2 structures. This proposal aims to establish the tight-binding models valid to the two-dimensional MoS2. Then, by means of such a model, we study the electronic structures, optoelectronic features, electronic transport and some typical electronic many-body effects of the monolayer or few-layer MoS2 and their nanostructures. Meanwhile, we pay attention to the theoretical approaches to manipulate the electronic spin and valley degrees of freedom by the experimentally controllable measures in the 2D MoS2. Thus, the new electronic properties of the two-dimensional Dirac fermion materials can be revealed. And some promising device applications of MoS2 in the fields of spintronics and valleytronics can be theoretically suggested.

单层二硫化钼结构是继石墨烯之后新的可实验制备而且颇受关注的二维Dirac费米子材料。相比于石墨烯，该材料具有典型的半导体带隙、传导电子的自旋与谷自由度互相锁定以及圆偏振光吸收可导致电子谷极化等电子特性。基于这些电子特性，单层二硫化钼在实现某些电子器件功能方面比石墨烯更具优势。为了密切配合相关实验进展，建立可定量描述各种二硫化钼结构的电子特性，特别是电子输运特性的紧束缚模型尤为必要。 本课题拟从第一原理计算出发建立适于各种二硫化钼结构的紧束缚模型。并利用该模型研究单层和多层二硫化钼及其纳米结构的电子能谱、光电特性、电子输运性质以及某些典型的电子多体效应等。同时，从理论上预见各种实验手段对电子自旋和谷自由度的调控作用。完成本课题研究可为合理描述二维二硫化钼材料的电子性质提供新的理论框架，解释相关实验现象，进而提出基于二维二硫化钼结构实现自旋电子学或谷电子学器件功能的理论模型。

单层二硫化钼结构是继石墨烯之后新的可实验制备而且颇受关注的二维Dirac费米子材料。相比于石墨烯，该材料具有典型的半导体带隙、传导电子的自旋与谷自由度互相锁定以及圆偏振光吸收可导致电子谷极化等电子特性。基于这些电子特性，单层二硫化钼在实现某些电子器件功能方面比石墨烯更具优势。为了密切配合相关实验进展，建立可定量描述各种二硫化钼结构的电子特性，特别是电子输运特性的紧束缚模型尤为必要。为此目的，在本课题的研究工作中，我们从基于密度泛函理论的第一原理计算获得在布里渊区稀疏网格上的电子能级和Bloch态，然后通过表象变换得到Wannier轨道下的哈密顿量矩阵，该矩阵即为单层二硫化钼体系的电子紧束缚模型。然后，我们利用该模型进一步研究了单层二硫化钼体系的量子输运问题以及二硫化钼纳米条带的子带结构和边缘态特征。另外，我们还推广了这种Wannier插值方法，用于研究单层二硫化钼体系的电子-声子相互作用。我们计算了单层二硫化钼体系的由电子-声子散射造成的载流子迁移率，发现在室温下载流子迁移率对单轴应变的响应具有明显的各向异性。沿zigzag方向的载流子迁移率明显地依赖于单轴应变的强度和应变施加的方向，相比之下，沿armchair方向的载流子迁移率则对应变的强度及施加方向很不敏感。我们的理论方案可进一步用于研究其他材料的电子-声子相互作用及相关物性。关于二维二硫化钼载流子迁移率的研究成果为基于该材料的电子器件设计提供了可靠的理论信息。