新型二维半导体的第一性原理研究
发布时间：2021-06-08 17:14
自从石墨烯的实验发现以来,近年见证了二维材料的蓬勃发展。除了石墨烯以外,例如黑磷烯、硼烯和过渡金属二硫化物的二维材料体现出很多新颖的物理性质,这些是它们对应的体相里没有的。在本论文中,我们在GaTeCl单层、PdSe2单层、Mo6Br6S3单层和BiTeI单层里讨论了铁电性、铁磁性、迁移率和自旋轨道耦合效应。通过第一性原理研究,我们提出GaTeCl单层是一种优异的二维多铁体材料。声子谱、分子动力学模拟和弹性模量证实它的动力学稳定性与力学稳定性,而且我们对剥离能量的分析显示,从已存在的GaTeCl体相中剥离出一个GaTeCl单层是可行的。我们计算得到的其面内极化达到578 p C m-1。铁弹性90度旋转和铁电性翻转相变的势垒分别达到476 me V和754 me V（每化学式单胞）,是目前二维多铁性体系里最大的。重要的是,垂直于极化方向的4.7 N m-1单轴拉伸应力就可以驱动极化方向的90度旋转。这些使得GaTeCl单层不仅有稳定的铁弹性和铁电性,而且是...
【文章来源】：中国科学院大学(中国科学院物理研究所)北京市
【文章页数】：94 页
【学位级别】：博士
【部分图文】：
石墨烯的结构与能带图注（）石墨与（）石墨烯的结构
新型二维半导体的第一性原理研究拟合费米能级附近的能带可以得出石墨烯的最近邻原子之间跃迁能量为2.7eV，费米速度为1×106ms1[4]。由于狄拉克电子的赝自旋守恒，石墨烯可以在n–p–n结里体现出Klein隧穿[25,26]，也可以在p–n结里展现出电子负折射特征[27]。将石墨烯放在具有高介电常数的SrTiO3基底上，因为电子–电子相互作用被屏蔽，石墨烯只需1T的磁场就可以实现螺旋边缘输运[28]。在非线性光学方面，实验上可以在石墨烯里实现高阶光学谐波生成[29]。图1.2扭转双层石墨烯图注（a）典型扭转双层石墨烯器件和四极测量的图示。（b）两个器件M1和M2测得的四极电阻。（c）在=1.05°角度的扭转双层石墨烯在超晶格第一小布里渊区的能带。（d）则是对应的态密度。（e）器件M2的电流–电压曲线[11]。Figure1.2TwistedbilayergrapheneNote:(a)Schematicofatypicaltwistedbilayergraphenedeviceandthefour-probemeasurementscheme.(b)Four-proberesistancemeasuredintwodevicesM1andM2.(c)Thebandenergyoftwistedbilayergrapheneat=1.05°inthefirstminiBrillouinzoneofthesuperlattice.(d)Thecorrespondingdensityofstates.(e)Current–voltagecurvesfordeviceM2[11].最近，实验上成功制备出扭转极小角度（1度左右）的双层石墨烯[11,30]，2
第1章引言发现费米能级附近出现了平带，验证了MacDonald等人的理论模型结果[31]，并且经过载流子掺杂后，体系中诱导出非常规超导，如图1.2所示[11]。这实验工作极大推动了低维体系扭转电子学的发展，人们之后研究了扭转WSe2/MoSe2双层的Hubbard物理[32]、扭转双层MoS2半导体的平带[33]、扭转双层MoTe2的拓扑性质[34]和扭转双层石墨烯的光驱动Floquet调节[35]等。1.1.2过渡金属硫化物单层图1.3单层二硫化钼图注（a）体相2H-MoS2的单胞，有位于中间面上的反演中心。它由两个MoS2单层的单胞组成，单层缺少反演中心。（b）MoS2单层的俯视图。R是Mo原子到其最近邻Mo原子的矢量。（c）能带结构在K点的能带边的图示[36]。Figure1.3MoS2monolayerNote:(a)Theunitcellofbulk2H-MoS2,whichhastheinversioncenterlocatedinthemiddleplane.ItcontainstwounitcellsofMoS2monolayers,whichlacksaninversioncenter.(b)TopviewoftheMoS2monolayer.RarethevectorsconnectingnearestMoatoms.(c)SchematicdrawingofthebandstructureatthebandedgeslocatedattheKpoints[36].近年来，过渡金属硫化物单层成为二维材料的热门研究领域之一，下面以MoS2为代表，先介绍MoS2单层的主要物理性质。MoS2体相是层状范德瓦尔斯材料，单胞由两层组成，如图1.3所示。MoS2从多层变成单层时，原先的间接3
本文编号：3218850
【文章来源】：中国科学院大学(中国科学院物理研究所)北京市
【文章页数】：94 页
【学位级别】：博士
【部分图文】：
石墨烯的结构与能带图注（）石墨与（）石墨烯的结构
新型二维半导体的第一性原理研究拟合费米能级附近的能带可以得出石墨烯的最近邻原子之间跃迁能量为2.7eV，费米速度为1×106ms1[4]。由于狄拉克电子的赝自旋守恒，石墨烯可以在n–p–n结里体现出Klein隧穿[25,26]，也可以在p–n结里展现出电子负折射特征[27]。将石墨烯放在具有高介电常数的SrTiO3基底上，因为电子–电子相互作用被屏蔽，石墨烯只需1T的磁场就可以实现螺旋边缘输运[28]。在非线性光学方面，实验上可以在石墨烯里实现高阶光学谐波生成[29]。图1.2扭转双层石墨烯图注（a）典型扭转双层石墨烯器件和四极测量的图示。（b）两个器件M1和M2测得的四极电阻。（c）在=1.05°角度的扭转双层石墨烯在超晶格第一小布里渊区的能带。（d）则是对应的态密度。（e）器件M2的电流–电压曲线[11]。Figure1.2TwistedbilayergrapheneNote:(a)Schematicofatypicaltwistedbilayergraphenedeviceandthefour-probemeasurementscheme.(b)Four-proberesistancemeasuredintwodevicesM1andM2.(c)Thebandenergyoftwistedbilayergrapheneat=1.05°inthefirstminiBrillouinzoneofthesuperlattice.(d)Thecorrespondingdensityofstates.(e)Current–voltagecurvesfordeviceM2[11].最近，实验上成功制备出扭转极小角度（1度左右）的双层石墨烯[11,30]，2
第1章引言发现费米能级附近出现了平带，验证了MacDonald等人的理论模型结果[31]，并且经过载流子掺杂后，体系中诱导出非常规超导，如图1.2所示[11]。这实验工作极大推动了低维体系扭转电子学的发展，人们之后研究了扭转WSe2/MoSe2双层的Hubbard物理[32]、扭转双层MoS2半导体的平带[33]、扭转双层MoTe2的拓扑性质[34]和扭转双层石墨烯的光驱动Floquet调节[35]等。1.1.2过渡金属硫化物单层图1.3单层二硫化钼图注（a）体相2H-MoS2的单胞，有位于中间面上的反演中心。它由两个MoS2单层的单胞组成，单层缺少反演中心。（b）MoS2单层的俯视图。R是Mo原子到其最近邻Mo原子的矢量。（c）能带结构在K点的能带边的图示[36]。Figure1.3MoS2monolayerNote:(a)Theunitcellofbulk2H-MoS2,whichhastheinversioncenterlocatedinthemiddleplane.ItcontainstwounitcellsofMoS2monolayers,whichlacksaninversioncenter.(b)TopviewoftheMoS2monolayer.RarethevectorsconnectingnearestMoatoms.(c)SchematicdrawingofthebandstructureatthebandedgeslocatedattheKpoints[36].近年来，过渡金属硫化物单层成为二维材料的热门研究领域之一，下面以MoS2为代表，先介绍MoS2单层的主要物理性质。MoS2体相是层状范德瓦尔斯材料，单胞由两层组成，如图1.3所示。MoS2从多层变成单层时，原先的间接3
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