二维材料异质结中能谷电子学的第一性原理研究

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1、学校代码10530学号201330990061分类号O469密级公开博士学位论文二维材料异质结中能谷电子学的第一性原理研究学位申请人屈进峰指导教师彭向阳教授学院名称物理与光电工程学院学科专业凝聚态物理研究方向计算凝聚态物理二零一七年十月三日万方数据First-principlesStudyontheValleytronicsinHeterostructuresofTwo-dimensionalMaterialsCandidateJinfengQuSupervisorProf.XiangyangPengCol

2、legeSchoolofPhysics&OptoelectronicsProgramCondensedMatterPhysicsSpecializationComputationalCondensedMatterPhysicsDegreeDoctorofPhilosophyUniversityXiangtanUniversityDateOctober3，2017万方数据万方数据摘要利用电子电荷处理信息的传统电子器件已经接近热力学和量子力学极限，自旋电子学利用电子的自旋来编码信息，被认为是克服这些极限的途径。

3、最近发现一些材料的能带在不同能谷具有相反的贝里曲率因而具有相反的电学、磁学和光学性质，能谷电子学利用能谷这一新的量子自由度或能谷赝自旋来编码信息，提供了更有效和多样的信息处理方案，是凝聚态物理中研究的热点。目前，能谷电子学研究存在两个问题，一是研究基本上局限于过渡金属硫族化合物(TMDs)，其它能谷电子学材料如硅烯和锗烯等远不及TMDs；另一方面，对于TMDs，其单层内激子寿命只有ps(皮秒)量级，限制了激子所携带的能谷赝自旋的空间输运距离，对其应用不利。本论文用基于密度泛函的第一性原理方法，针对上述两个问

4、题研究了二维材料异质结。论文主要研究结果如下：1.Silicene/Bi(111)异质结的电子态和贝里相相关的物理性质。Silicene具有Dirac能谷，是潜在的能谷电子学材料。但是其自旋轨道耦合(SOC)很弱，带隙基本为零，限制了其在能谷电子学中的应用。Bi(111)薄膜具有很强的自旋轨道耦合，计算发现通过形成silicene/Bi(111)异质结，silicene在其Dirac能谷处产生了相当大的带隙，并且获得了巨大的自旋劈裂，劈裂幅值超过了MoS2。由于时间反演对称性的保持和空间反演对称性的破坏，贝

5、里曲率和自旋劈裂在K和K′能谷处不为零而且是相反的，因此能谷和自旋自由度是相互锁定的。圆偏振光二色性在不等价能谷处也是相反的，因此可以用圆偏振光对能谷载流子进行选择激发。研究表明，与强SOC材料形成异质结是大幅提高弱SOC材料能谷电子学效应的有效方法。2.Germanene/SbF的能谷电子学性质和Z2非平凡拓扑相。Germanene因其微小的SOC和能隙，不是理想的能谷电子学材料。虽然Sb(111)薄膜有很强的SOC，在germanene/Sb中能引起很大的自旋劈裂，但是germanene/Sb没有带隙，

6、germanene的Dirac能谷也破坏了，无法实现能谷电子学效应。轨道分析表明，Ge-Sb的杂化态中Sb-pz态贡献最明显，因此考虑用F原子来钝化Sb原子来打开带隙。计算表明germanene/SbF体系的Dirac能谷处有明显带隙，体系具有时间反演不变性但不具备空间反演对称性，使得在不等价Dirac能谷处的贝里曲率和自旋劈裂是相反的。我们计算了圆偏振光的带间跃迁矩阵元，发现在K和K′能谷处的圆偏振二色性是相反的。计算的Z2拓扑不变量表明germanene/SbF是拓扑绝缘体。研究结果表明形成异质结I万方

7、数据不仅可以将弱SOC材料转化成优异的能谷电子学材料，还可以在同一个材料中同时实现能谷电子学性质与非平凡Z2拓扑相。3.MoSe2/WSe2异质结中层内激子和层间激子的辐射跃迁。研究发现层内激子跃迁与异质结中的层间堆垛有关。对于AA堆垛，圆偏振光激发MoSe2和WSe2在同一个K点处的层内能谷跃迁。而对AB堆垛，由于MoSe2和WSe2的布里渊区之间有180度的旋转，圆偏振光激发MoSe2和WSe2在不等价K点处的层内能谷跃迁。由于MoSe2和WSe2的能带的第二类交叉排列，层内激子形成后，一部分载流子会经

8、非辐射跃迁到另一层的价带顶或导带底，发生层间电荷转移，形成层间激子。计算发现，层间激子圆偏振辐射跃迁矩阵元比层内的要小一个数量级，由此估算的层间激子的寿命比层内的要长约500倍，和实验基本相符。在AA和AB堆垛下，层间激子辐射跃迁和入射光的圆偏振极性是一样的，与实验的结果一致。我们还发现层间原子对位对层间激子辐射光的圆偏振度有影响，通过施加电场可以双向调控调控异质结的带隙以及价带自旋劈裂。关键词：二维材料；异质结