掺杂：二维半导体到半金属的转变

胡蓝之

摘  要：近几年，人们突破了对半金属块体材料研究的局限性。作为二维材料原型的石墨烯的发现，得力于其不同的结构和物理性能在材料学能够广泛应用。截止目前，二维材料已经囊括了半导体、半金属、金属和拓扑绝缘体等。但固有二维半金属材料种类少、不稳定，导致研究的局限性，所以用新方法寻求稳定的半金属材料非常必要。文章描述了通过掺杂半导体单层结构获得了新型半金属材料的理论，说明二维无磁半导体在自旋电子学中的潜在价值。

关键词：半金属;掺杂;半导体;二维材料

中图分类号：O572         文献标志码：A         文章编号：2095-2945（2020）04-0043-02

Abstract： In recent years， people have broken through the limitations of research on half-metal bulk materials. The discovery of graphene as a prototype of two-dimensional materials， thanks to its different structure and physical properties， can be widely used in materials science. So far， two-dimensional materials have included semiconductors， half-metals， metals， and topological insulators. However， the inherently two-dimensional half-metallic materials have few types and are unstable， which leads to the limitation of research. Therefore， it is necessary to use new methods to find stable half-metallic materials. This paper describes the theory of novel half-metal materials obtained by doping a semiconductor single-layer structure， illustrating the potential value of two-dimensional non-magnetic semiconductors in spin electronics.

Keywords： half-metal; doping; semiconductor; two-dimensional material

引言

近二十年以來，自旋电子学的快速发展推动了信息技术领域不断革新，而自旋电子学器件作为科学研究的热点，在国际上受到广泛关注。与传统的电子学器件相比较，自旋电子学器件具有很大的优势，如运行能耗低、产生热量少、信息处理快和数据储存能力与集成度高的特点。自旋电子学器件以其独有的优势很好地满足了科学发展的需求，但是在实际应用材料的选取上有着较高的要求。理论研究表明，自旋电子学器件的性能好坏与自旋极化率有着密切联系，自旋极化率即在费米能级附近存在的自旋向上和自旋向下电子数目不平衡的百分比， 且比率越高越有价值。半金属材料恰好有特殊的能带结构，使其自旋极化电子在费米面处具有100%的自旋极化率，可以高效地将不同特征的电子注入到半导体中，实现自旋运输; 并且其还具有高的居里温度、大的磁矩等磁性特征，因此在磁隧道结、自旋阀等领域有着广泛的应用。以往对自旋电子学器件材料的选择都局限在块体半金属，随着自旋电子学的发展，高性能小型化的器件成为人们开发的对象，为二维材料的研究打开了一条通道。二维材料是指只有原子级厚度或者几个原子层厚的材料，近年来，二维平面结构的石墨烯，以其独特的分子结构和优异的物理性能成为材料学、电子信息等领域的研究热点。受石墨烯的启示，实验相继合成了越来越多的类石墨烯材料，如硅烯、过渡金属二硫化物等。这些材料表现出与块体材料截然不同的现象和性质，吸引了各界科学家的广泛关注。

然而，上述二维材料大多是无磁或者稀磁的，制备纳米自旋电子学器件的实践也因此受到巨大的挑战。本身为半金属性的层状材料大多不稳定且数量少，最近几年大量的理论和实验研究表明，可以通过吸附、掺杂和引入缺陷等来调控磁性。本文主要是通过理论分析说明了掺杂二维半导体材料的方法，可以得到稳定性良好的半金属材料。

1 研究方法

本文采用密度泛函理论（DFT）的第一性原理计算方法，研究得到的所有结果都是在高性能计算机利用Linux系统运行Vienna Ab-inito Simulation Package（VASP）程序得到的。在整个计算过程中，我们利用广义梯度（GGA）近似的方法与赝势平面波法（PAW）将价电子从核中分离出来，来描述其相互作用。为了说明体系的电子结构特性，我们使用8X8X1的K点网格，平面波截断能的设置以VASP 手册中提供的方法为标准，即不同元素赝势库中截断能的最大值的1.2至2.0倍，电子能量最小值取10-7。对于二维材料的研究，我们在周期图像之间添加了一个15埃的真空区域。

2 结果分析

通过二维半导体掺杂得到了稳定的半金属材料，与原本是半金属的材料相比较，掺杂得到的半金属材料保留了半导体材料的稳定性，使其能够在自旋电子学器发挥更大的价值。为了验证这种方法，我们以Cr掺杂单层CdSe材料为例，在图1的DOS图中我们可以看到，选择费米能级为能量零点，自旋极化电子产生的态密度曲线在费米能级处存在明显的带隙，表明CdSe单层结构是半导体材料。

通过扩胞掺杂之后作出了掺杂体系的DOS图，如图2所示，可以看到一个自旋方向的态密度曲线穿过了费米面，呈现出金属性;另一个自旋方向的态密度曲线在费米面存在明显的带隙，表现出半导体的性质，说明掺杂之后的CdSe是典型的半金属材料。除此之外，很多近年发表的文章也用掺杂的方法利用二维半导体得到了半金属材料。

3 结论

综上所述，我们利用自旋极化密度泛函理论第一性原理研究了半导体单层结构掺杂体系的电子结构，并且重点研究了不同掺杂构型的半金属性。研究结果表明，通过掺杂可以使原本没有磁性的半导体诱导出来磁性，并表现出来明显半金属性。我们的这项工作确定了新的半金属材料，突破了二维固有半金属性材料的局限性，这将成为寻找制作自旋电子学器件材料的一个新的来源。

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