湘潭大学博士学位论文

(a)

(b)

(c)

(d)

(e)

(f)

图4-3 (a)，(b)，(c)，(d)和(e) 分别是掺杂元素Cr、Fe、Mn、Co和Ni的LDOS图。(f) Ni掺杂

原子投影到5个d轨道的PDOS图。费米面在能量零点并用垂直的蓝色虚线表示。

在研究掺杂系统的能带结构之前，我们先计算了理想的双层MoS2的能带结构，结果与之前文献报道一致[214]，如图4-4（a）所示。图4-4（b-f）是双层MoS2掺杂过渡金属原子后能带结构和相应的态密度（DOS）图。从图中我们很容易发现，在理想MoS2能带中出现的杂质态是由过渡金属原子掺杂引起的。除了Ni原子掺杂的

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万方数据类石墨烯二硫化钼的第一性原理研究

系统外，其他4种过渡金属原子掺杂系统在费米面处或者最高占据态上均具有自旋极化特性。其中，Cr和Fe原子掺杂的系统在费米面处仅有自旋向下的态，自旋向上的态为零，根据前面的公式我们得出这两个系统在费米面处的自旋极化率为100 %。也就是系统在费表明双层MoS2层间掺入Cr和Fe原子后系统表现出半金属的行为。

米面处呈现的是自旋向下的金属态，如图4-4（b-c）所示。然而，对于Mn和Co原子掺杂的这两个系统，在最高占据态的位置有100 %的自旋极化率，如图4-4（d，e）所示。

(a)

(c) 万方数据(b)

(d)

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(e)

(f)

图4-4 (a) 3×3×1的双层MoS2超胞的能带结构和相应的态密度图；(b-f) 双层MoS2掺杂不同的过渡金属原子在BS位置的自旋向上和自旋向下的能带结构和相应的态密度图。自旋向上和自旋向

下的态分别用黑色的实线和红色的虚线表示，费米面用蓝色的实线表示。

总的来说，对于双层MoS2层间掺杂渡金属原子Cr、Fe、Mn、Co和Ni的几个系统而言，其中Cr、Fe、Mn、和Co掺杂系统在费米面周围具有很高的自旋极化，可实现选择性自选输运。因此，我们的研究表明，双层MoS2层间掺杂Cr、Fe、Mn、和Co后的系统为自旋电子器件的应用提供很好的器件模型。

4.5 小结

本章我们通过第一性原理计算分析探讨了双层MoS2层间掺杂Cr、Fe、Mn、Co和Ni等3d过渡金属原子后的稳定结构、电子特性以及磁性行为。我们发现：

（1）双层MoS2层间掺杂Cr、Fe、Mn、Co和Ni等过渡金属原子后，层间距与原来本征MoS2的层间距相比增大了，从电荷密度图分析得出，过渡金属原子与周围紧邻的4个S原子形成了共价键的关系；

（2）Cr、Fe、Mn和Co掺杂的后的局域磁矩比起它们在自由态时固有磁矩都有不同程度的减少，而Ni原子掺杂后磁矩变为零；

（3）Cr和Fe掺杂的系统在费米处表现出100 %的自旋极化率，呈现出半金属的行为，Mn和Co掺杂的系统在最高占据态的位置具有100 %的自旋极化率。

我们的研究结果表明，双层MoS2掺杂过渡金属原子后有可能会成为制作自旋电子器件最优的备选材料。

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万方数据类石墨烯二硫化钼的第一性原理研究

第5章 六角氮化硼片（h-BN）对单层MoS2的调制效应

5.1 引言

自从石墨烯能在实验上从石墨中分离出来以后，其它的依靠范德瓦尔斯力结合的这种类石墨烯的二维层状材料，比如少层的过渡金属硫化物以及六角氮化硼也能在实验上通过微机械剥离技术[15]和液相剥离技术[222, 223]被成功的制备出来，这些二维层状材料由于其独特的性能和潜在的应用前景而受到人们的广泛关注[4-12]。其中，二硫化钼(MoS2)属于六方晶系，是通过S-Mo-S这样的三明治单层以及凭借层间的范德瓦耳斯力结合而堆垛起来的[13-15]。单层MoS2是一个直接带隙的半导体，带隙约为1.8 eV，它具有很高的电子迁移率，原子级的薄片使其很容易被制备成纳米电子器件

[16, 17]

。2011年，Radisavljevic等人报道单层的MoS2场效应晶体管在室温下展现一个

高达108的电流开关比，通过改变性能优于SiO2栅极材料从而使得基于单层MoS2的晶体管的特性能更好的展现出来[18]。许多实验和仿真研究已经预测了单层MoS2在将来的纳米电子材料领域会是一种很有前景的材料[19-23]。

具有类似石墨层状结构的三维六角氮化硼（h-BN）属于六方晶系，层内原子之间为sp2杂化，B原子和N原子通过共价键结合，层间则通过弱的范德瓦耳斯相力互作用。它具有机械性能好、热稳定性好(熔点>3000K)、化学性质稳定、抗氧化能力强等特殊性能，是宽带隙的半导体材料，在真空技术、微电子技术、激光技术、医疗、化学等领域具有广泛的应用。2005年K. S. Novoselov等人首次报道了从实验上获得二维单原子层h-BN晶体，这使得对二维层状h-BN片的研究更具有实际意义。相对三维晶体而言，二维h-BN片是单原子层材料，在单原子层超薄器件的制备和应用方面具有广阔的前景。

h-BN是由B原子和N原子交替排列的六角的蜂窝状结构。先前的研究表明单层的h-BN以及它的多层结构是电子绝缘的，大约具有4-8 eV的带隙[24, 25]。所以，由于其大的带隙导致了很难通过栅极电压调制源电流，单独的h-BN还没有被考虑作为场效应晶体管的一种沟道材料来应用。然而，比起常用的SiO2表面，h-BN片是原子级的薄片且没有电荷杂质以及悬挂键，此外，它还具有高纯度，优越的热稳定性和化学稳定性，因此，对比其它的类石墨烯晶体，h-BN作为一种良好的电介质材料而受到人们的亲睐。比如，Dean和他的合作者报道石墨烯在h-BN上的载流子迁移率要远远大于在SiO2表面上的[224]。理论计算也表明了通过把石墨烯放在h-BN片上[225,

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