摻雜：二維半導(dǎo)體到半金屬的轉(zhuǎn)變

胡藍(lán)之

摘? 要：近幾年，人們突破了對半金屬塊體材料研究的局限性。作為二維材料原型的石墨烯的發(fā)現(xiàn)，得力于其不同的結(jié)構(gòu)和物理性能在材料學(xué)能夠廣泛應(yīng)用。截止目前，二維材料已經(jīng)囊括了半導(dǎo)體、半金屬、金屬和拓?fù)浣^緣體等。但固有二維半金屬材料種類少、不穩(wěn)定，導(dǎo)致研究的局限性，所以用新方法尋求穩(wěn)定的半金屬材料非常必要。文章描述了通過摻雜半導(dǎo)體單層結(jié)構(gòu)獲得了新型半金屬材料的理論，說明二維無磁半導(dǎo)體在自旋電子學(xué)中的潛在價(jià)值。

關(guān)鍵詞：半金屬;摻雜;半導(dǎo)體;二維材料

中圖分類號：O572? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A? ? ? ? ?文章編號：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，自旋電子學(xué)的快速發(fā)展推動了信息技術(shù)領(lǐng)域不斷革新，而自旋電子學(xué)器件作為科學(xué)研究的熱點(diǎn)，在國際上受到廣泛關(guān)注。與傳統(tǒng)的電子學(xué)器件相比較，自旋電子學(xué)器件具有很大的優(yōu)勢，如運(yùn)行能耗低、產(chǎn)生熱量少、信息處理快和數(shù)據(jù)儲存能力與集成度高的特點(diǎn)。自旋電子學(xué)器件以其獨(dú)有的優(yōu)勢很好地滿足了科學(xué)發(fā)展的需求，但是在實(shí)際應(yīng)用材料的選取上有著較高的要求。理論研究表明，自旋電子學(xué)器件的性能好壞與自旋極化率有著密切聯(lián)系，自旋極化率即在費(fèi)米能級附近存在的自旋向上和自旋向下電子數(shù)目不平衡的百分比， 且比率越高越有價(jià)值。半金屬材料恰好有特殊的能帶結(jié)構(gòu)，使其自旋極化電子在費(fèi)米面處具有100%的自旋極化率，可以高效地將不同特征的電子注入到半導(dǎo)體中，實(shí)現(xiàn)自旋運(yùn)輸; 并且其還具有高的居里溫度、大的磁矩等磁性特征，因此在磁隧道結(jié)、自旋閥等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用。以往對自旋電子學(xué)器件材料的選擇都局限在塊體半金屬，隨著自旋電子學(xué)的發(fā)展，高性能小型化的器件成為人們開發(fā)的對象，為二維材料的研究打開了一條通道。二維材料是指只有原子級厚度或者幾個原子層厚的材料，近年來，二維平面結(jié)構(gòu)的石墨烯，以其獨(dú)特的分子結(jié)構(gòu)和優(yōu)異的物理性能成為材料學(xué)、電子信息等領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。受石墨烯的啟示，實(shí)驗(yàn)相繼合成了越來越多的類石墨烯材料，如硅烯、過渡金屬二硫化物等。這些材料表現(xiàn)出與塊體材料截然不同的現(xiàn)象和性質(zhì)，吸引了各界科學(xué)家的廣泛關(guān)注。

然而，上述二維材料大多是無磁或者稀磁的，制備納米自旋電子學(xué)器件的實(shí)踐也因此受到巨大的挑戰(zhàn)。本身為半金屬性的層狀材料大多不穩(wěn)定且數(shù)量少，最近幾年大量的理論和實(shí)驗(yàn)研究表明，可以通過吸附、摻雜和引入缺陷等來調(diào)控磁性。本文主要是通過理論分析說明了摻雜二維半導(dǎo)體材料的方法，可以得到穩(wěn)定性良好的半金屬材料。

1 研究方法

本文采用密度泛函理論（DFT）的第一性原理計(jì)算方法，研究得到的所有結(jié)果都是在高性能計(jì)算機(jī)利用Linux系統(tǒng)運(yùn)行Vienna Ab-inito Simulation Package（VASP）程序得到的。在整個計(jì)算過程中，我們利用廣義梯度（GGA）近似的方法與贗勢平面波法（PAW）將價(jià)電子從核中分離出來，來描述其相互作用。為了說明體系的電子結(jié)構(gòu)特性，我們使用8X8X1的K點(diǎn)網(wǎng)格，平面波截?cái)嗄艿脑O(shè)置以VASP 手冊中提供的方法為標(biāo)準(zhǔn)，即不同元素贗勢庫中截?cái)嗄艿淖畲笾档?.2至2.0倍，電子能量最小值取10-7。對于二維材料的研究，我們在周期圖像之間添加了一個15埃的真空區(qū)域。

2 結(jié)果分析

通過二維半導(dǎo)體摻雜得到了穩(wěn)定的半金屬材料，與原本是半金屬的材料相比較，摻雜得到的半金屬材料保留了半導(dǎo)體材料的穩(wěn)定性，使其能夠在自旋電子學(xué)器發(fā)揮更大的價(jià)值。為了驗(yàn)證這種方法，我們以Cr摻雜單層CdSe材料為例，在圖1的DOS圖中我們可以看到，選擇費(fèi)米能級為能量零點(diǎn)，自旋極化電子產(chǎn)生的態(tài)密度曲線在費(fèi)米能級處存在明顯的帶隙，表明CdSe單層結(jié)構(gòu)是半導(dǎo)體材料。

通過擴(kuò)胞摻雜之后作出了摻雜體系的DOS圖，如圖2所示，可以看到一個自旋方向的態(tài)密度曲線穿過了費(fèi)米面，呈現(xiàn)出金屬性;另一個自旋方向的態(tài)密度曲線在費(fèi)米面存在明顯的帶隙，表現(xiàn)出半導(dǎo)體的性質(zhì)，說明摻雜之后的CdSe是典型的半金屬材料。除此之外，很多近年發(fā)表的文章也用摻雜的方法利用二維半導(dǎo)體得到了半金屬材料。

3 結(jié)論

綜上所述，我們利用自旋極化密度泛函理論第一性原理研究了半導(dǎo)體單層結(jié)構(gòu)摻雜體系的電子結(jié)構(gòu)，并且重點(diǎn)研究了不同摻雜構(gòu)型的半金屬性。研究結(jié)果表明，通過摻雜可以使原本沒有磁性的半導(dǎo)體誘導(dǎo)出來磁性，并表現(xiàn)出來明顯半金屬性。我們的這項(xiàng)工作確定了新的半金屬材料，突破了二維固有半金屬性材料的局限性，這將成為尋找制作自旋電子學(xué)器件材料的一個新的來源。

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