二维过渡金属硫族化合物的制备及铁磁性研究

发布时间：2020-07-17 05:17

【摘要】：当今时代,信息的爆炸性增长及后摩尔定律的新技术发展对器件数据存储密度的提升和能耗的降低提出了新的要求,而自旋电子器件的发展可以实现对电子电荷和自旋的同时调控,有望解决磁存储密度问题。二维自旋电子学材料相对于其块体需要更少的功耗,并符合未来自旋电子器件微型化和功能最大化的需求,被视为构建未来超薄自旋电子器件的理想材料。近年来,二维过渡金属硫族化合物(Transition metal dichalcogenides,TMDs)由于其优异的电学和光学性质而引起研究者的广泛关注。近期,二维TMDs材料室温铁磁性的陆续报道使其有望应用于未来超薄自旋电子学器件。而如何从实验上赋予二维TMDs内禀的铁磁性是其在未来自旋电子器件发展拟解决的关键问题。本论文利用化学气相沉积、水热合成等方法,制备了MoS_2、MoSe_2等二维TMDs材料,通过形貌调控、过渡金属元素掺杂、相结构转变等实验手段,在MoS_2、MoSe_2等材料中引入了本征的室温铁磁性,同时利用调节实验参数(制备温度、离子辐照剂量、掺杂含量、相转变程度等)实现了对样品铁磁性的调控,并对样品铁磁性的起源与变化机制进行了深入的研究,主要内容如下:1.利用化学气相沉积法分别在SiO_2/Si衬底和碳布上生长了MoSe_2纳米片,并且通过改变实验参数对MoSe_2的形貌进行了调控。磁测量结果表明制备所得的MoSe_2纳米片具有本征室温铁磁性,在室温下测得饱和磁化强度(M_s)为1.39emu/g,第一性原理计算结果表明其铁磁性与样品的zig-zag边缘态及面内的本征缺陷态有关。而通过改变实验温度调控样品的边缘态与缺陷的数量,可以有效实现对MoSe_2纳米片的铁磁性调控。在本文中,我们将制备温度由860℃调升至940℃后,样品的M_s值由1.39 emu/g降低至了0.015 emu/g。2.利用水热法制备了若干种过渡金属元素元素(Fe、Co、Mn、Cr、Cu)掺杂的MoS_2纳米片。磁测量结果表明过渡金属元素掺杂(10%)可以在MoS_2纳米片中引入一定的铁磁性,并且随着掺杂量的增加样品的铁磁性普遍存在着先增大后减小的规律。在室温下测得各个元素掺杂MoS_2样品的最大M_s值分别为Fe:0.247 emu/g,Co:0.2 emu/g,Mn:0.015 emu/g,Cr:0.016 emu/g,Cu:0.023emu/g。另外,我们利用第一性原理计算、晶体场理论和束缚磁极化子模型对铁磁性的产生机制进行了解释。3.通过表面活化与多相复合的方法,在二维MoS_2及MoSe_2材料中引入了1T@2H相结构,并且通过改变溶剂热反应时间实现了1T与2H相结构比例的调控。磁性测量结果表明1T相结构的引入能使样品表现出铁磁性(MoS_2最大M_s值:1.9 memu/g;MoSe_2最大M_s值:8 memu/g),并且铁磁性随着1T相结构比例的增长呈现出先增强后减弱的趋势。根据晶体场理论的分析,我们发现1T相结构中的Mo原子能够提供磁矩,并且当1T相与2H相结构比例相当时,体系的铁磁性最强。根据这样的思路,我们将ReS_2与MoS_2进行复合,制备出了Re_xMo_(1-x)-x S_2三元化合物,结果发现,通过调节Re与Mo的比例,其不同相结构的比例与铁磁性的强弱也会随之变化,在实验中当Re元素掺杂量达到17%时,样品的M_s值为8 memu/g。
【学位授予单位】：兰州大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TB303;O482.5
【图文】：

图 1.1 过渡金属硫族化合物（TMDs）材料的种类[63]除此以外，TMDs 材料还具有相似的结构特点：它们的块体材料由 X-层通过范德华相互作用堆叠而成；可以由块材剥离得到单分子层材料（如 所示）。根据第一性原理计算方法得到它们的电子能带结构，结果发现

具有MX2分子通式的硫化物二维材料的结构

人们发现 MX2材料的理化性质随着堆垛层数的不同也存在着明显的差异。如图1.3 所示，以 MoS2为例，研究者通过理论计算发现，其块体结构具有间接带隙（1.3 eV），随着堆垛层数的减少，MoS2会发生由间接带隙向直接带隙的转变，而单层结构具有 1.8 eV 的直接带隙[72,73]。这种不同结构下能带结构的差异直接影响到 MoS2的发光性质和电学性质。此外，MoSe2，WSe2和 WS2等材料的能带结构也会随着堆垛层数的变化而出现差异[74-76]。此外，计算和实验结果证明单层结构的 TMDs 材料在光电二极管、光学探测器以及集成电

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本文编号：2759027