碳、氧、硫掺杂二维黑磷的第一性原理计算.pdfVIP

物理 学 报 ActaPhys．Sin．Vo1．63，No．20(2014) 207301 碳、氧、硫掺杂二维黑磷的第一性原理计算木 谭兴毅 )十 王佳恒 ) 朱神神 ) 左安友 ) 金克新2) 1)(湖北民族学院理学院，恩施 445000) 2)(西北工业大学，凝聚态结构与性质陕西省重点实验室，西安 710072) (2014年4月24日收到；2014年6月19日收到修改稿) 基于密度泛函理论的第一性原理平面波赝势方法，研究了二维黑磷中的碳原子 (Cp)、氧原子 (Cp)、硫原 子 (sP)掺杂的几何结构、磁学性质和电子结构．发现掺杂体系结构稳定，cP和Op体系形变较大，而sP体系 形变较小；二维黑磷本身无磁矩，掺杂后都具有1Z／B的总磁矩．由于掺杂体系具有稳定的铁磁性，使其在 自旋 电子器件方面可发挥重要的作用． ‘ 关键词：二维黑磷，电子结构，磁学性质，第一性原理 PACS：73．20．At，71．15．Mb，75．50．Gg DOI：10．7498／aps．63．207301 景．Yin等 【1采用单层MoS2材料制作了世界上第 1 引 言 ～ 个光 电晶体管，发现光 电流的产生和湮没可 以控 制在50ms之内．Zhang等 。【】使用MoS2材料研制 场效应晶体管 (FET)是一种通过电场效应控 了双极型晶体管，实现了空穴、电子导电，且开关比 制 电流的半导体器件，具有输入 电阻高、噪声小、 大于10．刘俊等 []研究了单层MoS2吸附不同有 功耗低、动态范围大、易于集成、安全工作区域宽等 机分子的能带特征，为单层MoS2在晶体管中的应 优点，成为现代 电子工业的基础．当前，在 电子工 用提供理论基础．Wang等 8【，9】综述了辉钼半导体 业中广泛应用的FET的材料是半导体Si，根据摩 器件研制的进展，并提出了未来值得关注的方向． 尔定律，Si芯片的制造工艺正逐渐逼近其物理极 黑磷是磷的一种同素异形体，由单层的磷原子堆叠 限，所 以必须要寻找性能更优 良的新材料来替代 而成，是禁带宽度为0．33eV的P型二维半导体材 Si．迄今，人们尝试用石墨烯、单原子层锗来制备 料 [10】．最近，中国科学技术大学陈仙辉教授课题 FET[1,2】 ． 然而石墨烯没有半导体能隙，在 电子学应 组与复旦大学张远波教授课题组合作，成功制备出 用中不能实现电流的 “开”和 “关”，弱化了其取代 基于二维黑磷的场效应晶体管 [11】．实验显示，当 电子电路 中半导体开关的用途 [1]．单原子层锗在空 二维黑磷材料厚度小于7．5am 时，室温下可获得 气中极不稳定，极大地限制了实际应用 2【】_黑磷 以 可靠的晶体管性能，漏 电流的调制幅度在10万量 及硫化钼的出现改变 了这个局面 [3-81．2007年，A— 级，一 特征 曲线体现出良好的电流饱和效应．这 yari等 [3】研制出了世界第一支MoS2晶体管，其中 些性能表 明，二维黑磷场效应晶体管在纳米 电子器 MoS2材料厚度为8—20am．2011年，Radisavljvic 件应用方面具有极大潜力．另一方面，电子也是 自 等 【]利用单层MoS2制作了电子器件，并利用氧化 旋载体，而关于二维黑磷在 自旋方面的研究还鲜有 铪作为栅绝缘介质改善器件的电学性能，迁移率 报道．二维黑磷在特定的条件下是否能产生铁磁 高达200am ／(v．S)，器件开关比大于1×10，预示