二維半導(dǎo)體材料磁性的第一性原理研究

甄紅昌

天津中環(huán)領(lǐng)先材料技術(shù)有限公司

二維半導(dǎo)體材料磁性的第一性原理研究

甄紅昌

天津中環(huán)領(lǐng)先材料技術(shù)有限公司

磁性半導(dǎo)體同時(shí)具有鐵磁性和半導(dǎo)體的性質(zhì)，并能很好地與半導(dǎo)體工藝兼容，以石墨烯為代表的二維晶體材料由于其本身獨(dú)特的優(yōu)異性能和潛在的應(yīng)用價(jià)值引起了廣泛的關(guān)注，嘗試用石墨烯作為碳基自旋電子學(xué)材料的研究。但是單層石墨烯的零帶隙限制了其在納米電子器件中的實(shí)際應(yīng)用。單層MoS2、單層磷烯以及單層TiS3是內(nèi)稟非磁性的，為使它們有效地應(yīng)用于納米自旋電子器件，需要在其中引入可調(diào)控的磁性。因此探索在單層二維晶體材料中有效地產(chǎn)生磁性是凝聚態(tài)物理磁學(xué)研究領(lǐng)域的熱點(diǎn)問題之一。本文就對二維半導(dǎo)體材料磁性的第一性原理相關(guān)方面進(jìn)行探討。

二維半導(dǎo)體材料；磁性；第一性原理

1 幾種二維半導(dǎo)體材料

首先是過渡金屬二硫化物，其化學(xué)式寫為MX2(M為過渡金屬元素，X為硫族元素)，過渡金屬二硫化物由X-M-X三層原子組成的三明治層狀結(jié)構(gòu)堆疊而成，X-M-X三層原子形成的過渡金屬二硫化物單層具有H(Honeycomb)和T(Centeredhoneycomb)型兩種晶體結(jié)構(gòu)。與石墨烯類似，單層(或幾層)過渡金屬二硫化物可以從其體材料剝離出來，也可通過化學(xué)氣相沉積及分子束外延生長等方式合成。其中，單層MoS2是二維過渡金屬二硫化物的典型代表，其具有約為1.9eV的直接帶隙，在室溫下的載流子遷移率約為200cm2V-1S-1。相關(guān)研究表明單層MoS2在半導(dǎo)體器件方面的應(yīng)用前景非常廣闊。

另外一種典型的二維半導(dǎo)體材料是磷烯—即很少的幾個(gè)褶皺的蜂窩狀的P原子層構(gòu)成的黑磷。2014年，單層磷烯被成功從黑磷中剝離，其中每一個(gè)磷原子與其周圍的三個(gè)磷原子成共價(jià)鍵，形成褶皺的P原子單層。相比于石墨烯的零帶隙，磷烯具有約為0.59～1.5eV的帶隙，而相對于單層MoS2的低載流子遷移率，磷烯室溫下的載流子遷移率高達(dá)103cm2V-1S-1以上。實(shí)驗(yàn)表明基于磷烯的場效應(yīng)晶體管電流開關(guān)比高達(dá)105量級。磷烯在半導(dǎo)體器件方面有廣闊的應(yīng)用前景。除此之外，磷烯還具有許多獨(dú)特的性質(zhì)，例如各向異性的電導(dǎo)、熱導(dǎo)、以及光學(xué)響應(yīng)性能等。

2 空位、反位缺陷MoS2的磁性

單層MoS2是直接帶隙(約為1.9eV)半導(dǎo)體，其用于有關(guān)場效應(yīng)晶體管等電子器件的性能研究表明，單層MoS2具有巨大的應(yīng)用前景。相比于石墨烯，有帶隙的單層MoS2可能更適合作為制備納米自旋電子器件的材料。單層MoS2是內(nèi)稟非磁性的，因此探索在單層MoS2中有效地產(chǎn)生調(diào)控磁性的方法是非常重要的。

眾所周知，二維材料在制備過程中會產(chǎn)生各種點(diǎn)缺陷。例如含有空位缺陷的石墨烯和氮化硼具有磁性。單層MoS2存在四種空位缺陷和兩種反位缺陷，空位缺陷包括單S空位缺陷(VS)、雙S空位缺陷(VS2)、Mo及其最近鄰的、且在同一個(gè)S原子層上的3個(gè)S形成的復(fù)合空位缺陷(VMoS3)和Mo及其最近鄰的6個(gè)S形成的復(fù)合空位缺陷(VMoS6)，兩種反位缺陷為一個(gè)Mo原子替代兩個(gè)相對于Mo原子層上下對稱的S原子和兩個(gè)相對于Mo原子層上下對稱的S原子替代一個(gè)Mo原子所形成的缺陷(S2Mo及MoS2)。

3 非金屬元素?fù)诫s單層磷烯和藍(lán)磷烯的磁性

繼單層MoS2被成功剝離之后，2014年，單層磷烯也被成功從黑磷中剝離。單層磷烯不僅是直接帶隙半導(dǎo)體，而且具有高的載流子遷移率。另外，DavidTománek等人理論預(yù)測黑磷的同素異構(gòu)體—藍(lán)磷具有與黑磷基本相同的穩(wěn)定性，更重要的是能夠被剝離成準(zhǔn)二維結(jié)構(gòu)甚至單層藍(lán)磷(被稱之為藍(lán)磷烯)。他們的研究還表明，藍(lán)磷烯具有約為2.0eV的帶隙。單層磷烯與藍(lán)磷烯是內(nèi)稟無磁性的。為了實(shí)現(xiàn)單層磷烯與藍(lán)磷烯在低維自旋電子器件中的應(yīng)用，需要調(diào)控其產(chǎn)生磁性。

替代摻雜是調(diào)控半導(dǎo)體材料物理性質(zhì)的有效方法之一。許多理論研究表明，非金屬元素的替代摻雜能夠使二維半導(dǎo)體材料產(chǎn)生磁性。第一原理計(jì)算發(fā)現(xiàn)，用C，B或N原子替代單層ZnO中的O原子能夠產(chǎn)生磁性。在適當(dāng)?shù)膶?shí)驗(yàn)條件下，一些非金屬元素替代摻雜的單層MoS2，SnS2和ReS2是穩(wěn)定的，并且H，B，N，P，As或F的替代摻雜能夠產(chǎn)生磁性。有關(guān)實(shí)驗(yàn)證明，高能電子束轟擊二維材料能產(chǎn)生空位，并且可以通過用替代原子填充空位的方法實(shí)現(xiàn)二維材料的替代摻雜，并且這種替代摻雜的方法已經(jīng)被成功的應(yīng)用在石墨烯、氮化硼和單層MoS2等二維材料中。

目前，有關(guān)理論研究發(fā)現(xiàn)了一些使單層磷烯和藍(lán)磷烯產(chǎn)生磁性的方法。第一性原理計(jì)算研究發(fā)現(xiàn)，zigzag磷烯納米條帶具有反鐵磁絕緣態(tài)；在單層磷烯或藍(lán)磷烯的表面吸附一些金屬或非金屬原子能夠產(chǎn)生磁性；一些金屬原子的替代摻雜也能夠使單層磷烯或藍(lán)磷烯產(chǎn)生磁性。

3 Sc，V，Cr和Mn摻雜單層TiS3的磁性

2015年，一種新的單層材料—單層TiS3被Island研究組成功地剝離出來。相關(guān)研究表明，單層TiS3具有約為1.1eV的直接帶隙。單層MoS2和單層磷烯類似，單層TiS3是內(nèi)秉非磁性的。如果能在單層TiS3中引入磁性，將會使其在自旋電子器件的應(yīng)用領(lǐng)域有廣闊的應(yīng)用前景。

許多研究表明，過渡族金屬元素的替代摻雜是使二維材料產(chǎn)生磁性的一種常用方法。例如，在石墨烯和單層ZnO中替代摻雜Cr，Mn，Cu可以產(chǎn)生磁性；過渡金屬元素的替代摻雜可以使單層過渡金屬二硫化物產(chǎn)生磁性。

最近，Kang等人的理論研究報(bào)道表明，沿a軸方向的TiS3納米帶表現(xiàn)出鐵磁性金屬的性質(zhì)。Iyikanat等人的第一原理計(jì)算發(fā)現(xiàn)，含Ti空位、雙S空位、及TiS空位的單層TiS3可以產(chǎn)生磁性。

結(jié)語

在原子厚度二維材料的應(yīng)用中，經(jīng)常采用襯底支撐二維材料。因此應(yīng)進(jìn)一步研究附加襯底對二維半導(dǎo)體的電子結(jié)構(gòu)和磁性的影響。二維半導(dǎo)體的輸運(yùn)性質(zhì)也影響對其在自旋電子器件中的應(yīng)用。因此應(yīng)進(jìn)一步研究空位和反位缺陷，應(yīng)力，以及替代摻雜等對二維半導(dǎo)體材料輸運(yùn)性質(zhì)的影響。

[1]龔奎.新型二維半導(dǎo)體材料及自旋相關(guān)器件量子輸運(yùn)的第一性原理研究[D].北京科技大學(xué)，2016.

[2]鄭慧.若干新型二維半導(dǎo)體設(shè)計(jì)與電子結(jié)構(gòu)分析的第一性原理研究[D].吉林大學(xué)，2016.