V,Cr,Mn掺杂对单层WS_2磁性的影响.pdfVIP

___________________ 68186 魴 鉍 封 科 2016年 第 8 期（47)卷 文章编 ：1001—9731 (2016)08-08186-05 V ，C r， M n 掺杂对单层W S 2磁性的影响 张 芳 \ 李 伟 23,戴宪起3 (1.平顶山学院电气信息工程学院，河南平顶山467000; 2.河南城建学院数理学院，河南平顶山 467036; 3.河南师范大学物理与电子工程学院，河南新乡 453007) 摘 要 ： 采用密度泛函理论框架下的第一性原理平面波赝势方法，研究了过渡金属V ，C r 和 M n 原子掺杂单层 WS2 的磁性和稳定性。计算结果表明，C r掺杂时体系不显示磁性，V 和 M n 掺杂均能产生一定的磁矩，而且磁矩 主要集中在掺杂的V 和 M n 原子上。进一步讨论V 或 M n 双原子掺杂 WS2体系中掺杂原子之间的耦合作用发 现，M n 掺杂的体系在室温下显示出稳定的铁磁性，而 V 掺杂则表现出非自旋极化基态。形成能的计算表明Mn 掺杂的 WS2体系比 V 和 Ci■掺杂结构更稳定。 关键词： 第一性原理；掺杂；磁性；单层 ws2 中图分类号： 0471.5 文献标识码：A DOI ： 10.3969/j .issn . 1001-9731.2016.08.033 与石墨烯的零带隙相比其在自旋电于器件的开发应用 〇 引 言 方面显示出独特的优势3 C heng0® 等研究了 M n 、Fe 、 最近，人们发现在 n -y [族或n -v 族化合物半导 C o 、Z n 在单层M oS 2中掺杂的晶体结构、电子结构和磁 体中掺入微量的4f 稀土金属元素或者3d 过渡金属元 性质，表明掺杂是调控二维滅11/滅〇32稀磁半导体磁性 素可以使半导体材料获得磁性，这种新型半导体材料 的有效方法。R am asubram aniam [llS]提.出磁性离子之 被称为稀磁半导体[1—3| 稀磁半导体是自旋电子器件 间的双交换作用使得M n /M 〇S2稀磁半导体具有铁磁 的基础，随着自旋电子学的兴起，稀磁半导体逐渐成为 性，M n 掺杂浓度为10%〜15%时 M n /M 〇S2# 磁半导 研 究 热 点 。自前，人们利用磁性金属元素掺杂n - 体在室温下显示出铁磁性。然而，据我们所知，迄今 y i 族或 n -v 族半导体材料，获得了一些较好的光、电、 为止还没有单层，32在电子自旋方面的报道*而其在 磁等性质，为自旋电子器件的发展奠定了基础。然而， 什么条件下会具有磁性且是否可以作为稀磁半导体在 人们对稀磁半导体中磁性的来源存在争议，对磁性机 实际中应用，这都是我们关注的问题。为此，本文采 理的解释也不统一。R ode 等[7]认为过渡金属掺杂 用基于密度泛函理论的第一性原理方法研究了过渡金 Zn 0 基稀磁半导体的磁性来源于载流子调制的双交 属 V 、C r 和 M n 掺杂单层界的磁性和稳定性，以期 换机制。P ark 等[8]认为 ZnO 基稀磁半导体的磁性来 能为 W S 2作为新型稀磁半导体在实际中的应用提供 源于 H 杂质缺陷形成的磁极矛。G . S. Chang等《的 理论参考。 研究表明，通过自由电子的调制，ZnO 中掺杂的C o 离 1 模型和计算方法 予之间能够产生铁磁性耦合。为了弄清楚磁性的来 源，人们对n -兄族和IE -V 族半导体进行了多种尝试， 1 .