1、低維材料的電子結構與輸運性質答辯人：康俊中國科學院半導體研究所超晶格國家重點實驗室導師：李京波 研究員2014年5月30日報告內容石墨烯納米帶中的自旋過濾效應硅烯納米帶中對稱性依賴的輸運特性和磁阻效應石墨炔的力學、光學性質及帶隙調控過渡金屬硫族化物半導體材料MX2的帶階、合金及異質結性質自旋電子學操控電子的自旋自由度。如何獲得自旋極化的電流，即實現自旋過濾效應，是自旋電子學中的重要問題。鋸齒邊石墨烯納米帶(ZGNR)具有獨特的邊緣磁性，在自旋電子學器件方面具有應用潛力。但通常ZGNR基態是反鐵磁的(PRL 97, 216803)，兩個邊緣磁矩方向相反，凈磁矩為0，不易獲得自旋極化電流。石墨烯納

2、米帶中的自旋過濾效應構造磁性基態的ZGNR：不對稱氫化。不對稱氫化的鋸齒邊石墨烯納米帶，兩個邊緣分別用一個H和兩個H飽和。其基態呈現鐵磁性，每原胞磁矩為1B，態密度在費米能級附近有獨特的分布，可用于設計自旋過濾器件。石墨烯納米帶中的自旋濾波效應通過p型或n型摻雜使費米能級進入價帶或導帶。摻雜后態密度呈現半金屬特性,可以實現自旋極化輸運。石墨烯納米帶中的自旋濾波效應I-V曲線顯示，摻雜后的納米帶可以實現100%的自旋過濾效應。由于費米能級附近透射系數隨偏壓增大而減小，摻雜體系還呈現負微分電阻。Jun Kang, Fengmin Wu, and Jingbo Li, Appl. Phys. Let

3、t. 98, 083109 (2011) Selected for Virtual Journal of Nanoscale Science & Technology, March 7, 2011石墨烯納米帶中的自旋濾波效應不對稱氫化石墨烯納米帶構成同質結，在A和B區域中由2H鈍化的邊緣在納米帶不同側。超交換作用使得反鐵磁耦合更加穩定石墨烯納米帶中的自旋濾波效應基于同質結的雙極器件，左右電極自旋極化相反。正向和反向偏壓下分別只允許自旋上和自旋下電流通過，表現出雙重自旋過濾效應。石墨烯納米帶中的自旋濾波效應雙重自旋過濾效應起源于左右電極電子態在不同電壓下的不同交疊。 Jun Kang, Feng

4、min Wu, Shu-Shen Li, Jian-Bai Xia, and Jingbo Li, Appl. Phys. Lett. 100, 153102 (2012)石墨烯納米帶中的自旋濾波效應Selected for Virtual Journal of Nanoscale Science & Technology, April 23, 2012硅烯(silicene)及其納米帶在實驗上的合成近期已被陸續報道。 (APL 96 183102, APL 97 223109, PRL 108 155501) 與石墨烯類似，呈現蜂窩狀六角結構，并同樣擁有線性能量色散關系。但相鄰的兩個硅原子間

5、存在約0.4的高度差。(PRL 102 236804)有望與現代硅基半導體工藝兼容。硅烯納米帶中對稱性依賴的輸運特性和磁阻效應不同寬度鋸齒邊硅納米帶(ZSiNR)表現出不同的輸運特性。奇數N的ZSiNR電流隨電壓線性增長。偶數N的ZSiNR電流受到抑制，接近0。硅烯納米帶中對稱性依賴的輸運特性和磁阻效應偶數N的ZSiNR其和*帶在沿中軸的C2轉動操作下具有的相反的宇稱，電子從到*帶的傳遞是禁止的。輸運特性與ZSiNR的和*帶的對稱性有關。奇數N的ZSiNR其和*帶在沿中軸的C2轉動操作下沒有確定的宇稱，電子從到*帶的傳遞是允許的。硅烯納米帶中對稱性依賴的輸運特性和磁阻效應鐵磁態的偶數N ZSi

6、NR將呈現磁阻效應。兩個電極自旋極化方向相同時，在費米能級附近電子的傳輸是允許的，體系表現為低阻態。兩個電極自旋極化方向相反時，在費米能級附近電子的傳輸是禁止的，體系表現為高阻態。磁阻可達104。硅烯納米帶中對稱性依賴的輸運特性和磁阻效應磁阻效應可用于邏輯器件設計，如與、或和非邏輯門。自旋上和自旋下極化代表邏輯1和邏輯0輸入。低阻態和高阻態代表邏輯1和邏輯0輸出。Jun Kang, Fengmin Wu, and Jingbo Li, Appl. Phys. Lett. 100, 233122 (2012)硅烯納米帶中對稱性依賴的輸運特性和磁阻效應Selected for Virtual Jo

7、urnal of Nanoscale Science & Technology, June 25, 2012石墨炔的力學、光學性質及帶隙調控石墨炔家族中的一種 graphdiyne已被成功制備。 Chem. Commun., 46, 3256 (2010)石墨炔（graphyne）由Baughman 等提出 。 J. Chem. Phys. 87, 6687 (1987)石墨炔中同時存在sp和sp2雜化的碳原子，組成二維平面網格。不同于石墨烯的零帶隙，石墨炔顯示半導體性質。碳的新型同素異形體-石墨炔石墨炔的力學性質和能帶通過形變能計算得到面內剛度為10.36 eV/2，泊松比為 0.417。M

8、點直接帶隙: 0.46 eV (PBE)，0.96 eV (HSE06)。能帶可劃分為、px-py和pz 的成鍵和反鍵帶。石墨炔的力學、光學性質及帶隙調控光學性質呈現各向異性，在低能區對平行極化的光有強烈吸收，而對垂直極化的光吸收幾乎為0。在均勻形變下帶隙在大范圍內連續可調，拉(壓）應變減小（增加）了pz電子之間的交疊，增加（減小）了帶隙。Jun Kang, Jingbo Li, Fengmin Wu, Shu-Shen Li, Jian-Bai Xia，J. Phys. Chem. C 115, 20466 (2011)石墨炔的力學、光學性質及帶隙調控過渡金屬硫族化物半導體材料MX2的帶階以

9、MoS2為代表的二維過渡金屬硫屬化物半導體MX2近來成為研究熱點。它們擁有高開關比、間接-直接帶隙轉換等特性。對于半導體而言，它們的CBM和VBM位置，以及不同材料間的帶階是重要的物理參數。帶階將影響材料中的量子限制效應、摻雜特性、催化活性等等。二維MX2半導體的帶階此前并沒有報道。系統計算了單層過渡金屬硫族化物MX2的帶階(M=Mo, W; X=S, Se, Te)。基本趨勢為，隨陰離子原子序增加，CBM和VBM能量上升。當陰離子相同時，WX2帶邊能量比MoX2高。MoX2-WX2異質結幾乎沒有晶格失配，且帶階為II類，有利于電子和空穴的分離。過渡金屬硫族化物半導體材料MX2的帶階進一步研究

10、了MX2帶邊位置隨層數的變化關系。隨層數減小，CBM上移而VBM下移。同時發現單層MoS2在光催化分解水方面有潛在應用。這是因為(i) MoS2具有較為合適的帶隙寬度；(ii)MoS2的帶邊位置與H2O的氧化還原勢匹配。其VBM低于H2O的氧化勢，CBM高于H2O的還原勢。Jun Kang, Sefaattin Tongay, Jian Zhou, Jingbo Li, and Junqiao Wu, Appl. Phys. Lett. 102, 012111 (2013).過渡金屬硫族化物半導體材料MX2的帶階計算了MX2(1-x)X2x合金的性質Mo(S,Se)合金存在穩定的有序相合金的完

11、全混溶都可以在較低的溫度下發生過渡金屬硫化物半導體合金的穩定性及電子結構合金帶隙隨組分變化連續可調合金中存在能帶彎曲效應，當合金組元之間的尺寸及化學差別越大時彎曲效應越顯著過渡金屬硫化物半導體合金的穩定性及電子結構Jun Kang, Sefaattin Tongay, Jingbo Li, and Junqiao Wu, J. Appl. Phys. 113, 143703 (2013). MoS2/MoSe2二維異質結中的波函數局域化二維半導體異質結可以由不同的二維半導體材料堆積而成由于層與層之間為范德瓦爾斯作用，因此二維材料之間并無晶格匹配要求晶格失配將對二維異質結的性質產生影響二維MoS

12、2和MoSe2單層存在4.4%的晶格失配。通過對應變能和結合能的計算發現，它們之間范德瓦爾斯結合作用的強度不足以消除這一失配形成晶格匹配的異質結，而是形成一種被稱為莫爾圖樣(Moir Pattern)的結構。 MoS2/MoSe2二維異質結中的波函數局域化在莫爾圖樣中，不同區域的MoS2和MoSe2的堆積方式也不同，進而導致不同區域的層間耦合作用及靜電勢不同，這將會對異質結的電子結構產生顯著影響。 MoS2/MoSe2二維異質結中的波函數局域化對一個包含6630個原子的MoS2/MoSe2莫爾圖樣超胞的帶邊波函數進行了計算。價帶頂的空穴波函數被限制在層間耦合較強的區域，這是因為層間耦合作用會將

13、VBM上推。而導帶底的電子波函數則比較擴展，僅表現出弱局域性，局域的原因主要是各個區域靜電勢的差異。 MoS2/MoSe2二維異質結中的波函數局域化Jun Kang, Jingbo Li, Shu-Shen Li, Jian-Bai Xia and Lin-Wang Wang, Nano Lett. 13, 5485 (2013). 總結提出在不對稱氫化石墨烯納米帶中，通過p型和n型摻雜，或者構造同質結等方式能夠實現100%的自旋過濾效應。在硅烯納米帶中觀察到對稱性依賴的輸運性質并解釋了起因；同時發現硅烯納米帶的磁阻效應。研究了新型材料石墨炔的力學、光學性質，得到了石墨炔的力學參數并發現其光吸

14、收的各向異性；提出通過施加應變能夠對石墨炔進行帶隙調控。系統計算了單層過渡金屬硫化物半導體的帶階，發現MoS2/WS2等異質結為II類帶階，可應用于新型光電器件。此外發現MoS2具有合適的帶邊位置，可用于光催化分解水。研究了單層過渡金屬硫化物半導體合金的穩定性以及能帶結構。發現Mo(S,Se)合金存在穩定的有序相。計算了合金帶隙隨組分的變化關系，發現能帶存在彎曲效應。發現晶格失配將使得二維MoS2/MoSe2異質結中形成Moir Pattern，導致異質結不同區域的層間耦合強度及靜電勢不同，使得波函數發生局域化。論文發表情況期刊名影響因子篇數Nano. Lett.13.0251Appl. Phys. Lett.3.7944J. Phys. Chem. C4.8142J. Appl. Phys.2.212J. Phys.: Condens. Matter2.3552Phys. Lett. A1.7661期刊名影響因子篇數Nano. Lett.13.0251Carbon5.8681Phys. Rev. B3.7