二维半导体材料磁性的第一性原理研究

2016-03-16甄红昌

环球市场 2016年28期

关键词：第一性空位单层

甄红昌

天津中环领先材料技术有限公司

二维半导体材料磁性的第一性原理研究

甄红昌

天津中环领先材料技术有限公司

磁性半导体同时具有铁磁性和半导体的性质，并能很好地与半导体工艺兼容，以石墨烯为代表的二维晶体材料由于其本身独特的优异性能和潜在的应用价值引起了广泛的关注，尝试用石墨烯作为碳基自旋电子学材料的研究。但是单层石墨烯的零带隙限制了其在纳米电子器件中的实际应用。单层MoS2、单层磷烯以及单层TiS3是内禀非磁性的，为使它们有效地应用于纳米自旋电子器件，需要在其中引入可调控的磁性。因此探索在单层二维晶体材料中有效地产生磁性是凝聚态物理磁学研究领域的热点问题之一。本文就对二维半导体材料磁性的第一性原理相关方面进行探讨。

二维半导体材料；磁性；第一性原理

1 几种二维半导体材料

首先是过渡金属二硫化物，其化学式写为MX2(M为过渡金属元素，X为硫族元素)，过渡金属二硫化物由X-M-X三层原子组成的三明治层状结构堆叠而成，X-M-X三层原子形成的过渡金属二硫化物单层具有H(Honeycomb)和T(Centeredhoneycomb)型两种晶体结构。与石墨烯类似，单层(或几层)过渡金属二硫化物可以从其体材料剥离出来，也可通过化学气相沉积及分子束外延生长等方式合成。其中，单层MoS2是二维过渡金属二硫化物的典型代表，其具有约为1.9eV的直接带隙，在室温下的载流子迁移率约为200cm2V-1S-1。相关研究表明单层MoS2在半导体器件方面的应用前景非常广阔。

另外一种典型的二维半导体材料是磷烯—即很少的几个褶皱的蜂窝状的P原子层构成的黑磷。2014年，单层磷烯被成功从黑磷中剥离，其中每一个磷原子与其周围的三个磷原子成共价键，形成褶皱的P原子单层。相比于石墨烯的零带隙，磷烯具有约为0.59～1.5eV的带隙，而相对于单层MoS2的低载流子迁移率，磷烯室温下的载流子迁移率高达103cm2V-1S-1以上。实验表明基于磷烯的场效应晶体管电流开关比高达105量级。磷烯在半导体器件方面有广阔的应用前景。除此之外，磷烯还具有许多独特的性质，例如各向异性的电导、热导、以及光学响应性能等。

2 空位、反位缺陷MoS2的磁性

单层MoS2是直接带隙(约为1.9eV)半导体，其用于有关场效应晶体管等电子器件的性能研究表明，单层MoS2具有巨大的应用前景。相比于石墨烯，有带隙的单层MoS2可能更适合作为制备纳米自旋电子器件的材料。单层MoS2是内禀非磁性的，因此探索在单层MoS2中有效地产生调控磁性的方法是非常重要的。

众所周知，二维材料在制备过程中会产生各种点缺陷。例如含有空位缺陷的石墨烯和氮化硼具有磁性。单层MoS2存在四种空位缺陷和两种反位缺陷，空位缺陷包括单S空位缺陷(VS)、双S空位缺陷(VS2)、Mo及其最近邻的、且在同一个S原子层上的3个S形成的复合空位缺陷(VMoS3)和Mo及其最近邻的6个S形成的复合空位缺陷(VMoS6)，两种反位缺陷为一个Mo原子替代两个相对于Mo原子层上下对称的S原子和两个相对于Mo原子层上下对称的S原子替代一个Mo原子所形成的缺陷(S2Mo及MoS2)。

3 非金属元素掺杂单层磷烯和蓝磷烯的磁性

继单层MoS2被成功剥离之后，2014年，单层磷烯也被成功从黑磷中剥离。单层磷烯不仅是直接带隙半导体，而且具有高的载流子迁移率。另外，DavidTománek等人理论预测黑磷的同素异构体—蓝磷具有与黑磷基本相同的稳定性，更重要的是能够被剥离成准二维结构甚至单层蓝磷(被称之为蓝磷烯)。他们的研究还表明，蓝磷烯具有约为2.0eV的带隙。单层磷烯与蓝磷烯是内禀无磁性的。为了实现单层磷烯与蓝磷烯在低维自旋电子器件中的应用，需要调控其产生磁性。

替代掺杂是调控半导体材料物理性质的有效方法之一。许多理论研究表明，非金属元素的替代掺杂能够使二维半导体材料产生磁性。第一原理计算发现，用C，B或N原子替代单层ZnO中的O原子能够产生磁性。在适当的实验条件下，一些非金属元素替代掺杂的单层MoS2，SnS2和ReS2是稳定的，并且H，B，N，P，As或F的替代掺杂能够产生磁性。有关实验证明，高能电子束轰击二维材料能产生空位，并且可以通过用替代原子填充空位的方法实现二维材料的替代掺杂，并且这种替代掺杂的方法已经被成功的应用在石墨烯、氮化硼和单层MoS2等二维材料中。

目前，有关理论研究发现了一些使单层磷烯和蓝磷烯产生磁性的方法。第一性原理计算研究发现，zigzag磷烯纳米条带具有反铁磁绝缘态；在单层磷烯或蓝磷烯的表面吸附一些金属或非金属原子能够产生磁性；一些金属原子的替代掺杂也能够使单层磷烯或蓝磷烯产生磁性。