新型自旋电子薄膜材料的第一性原理设计

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1、学校代码10530学号201590120071分类号O469密级博士学位论文新型自旋电子薄膜材料的第一性原理设计学位申请人彭琼指导教师钟建新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物理二零一八年六月六日Firstprinciplesdesignofnovelspintronicthin-filmmaterialsCandidateQiongPengSupervisorProf.JianxinZhongCollegeSchoolofPhysicsandOptoelectronicsProgramCondensedMatterPhysicsS

2、pecializationComputationalPhysicsDegreeDoctorofPhilosophyUniversityXiangtanUniversityDateJune6,2018湘潭大学博士毕业论文摘要由于量子尺寸效应，二维体系通常比其对应的块体材料表现出更加独特的电子性质、光学性质和催化性能等，在新型电子器件、自旋电子器件和光电器件等方面有广泛应用，因而引起了人们广泛的兴趣。为了拓展低维材料的应用，寻找具有优良特性的自旋电子学薄膜材料和设计具有新奇属性的二维异质结材料，本文采用基于密度泛函理论的第一性原理方法预测和设计了一种应变可调的铁

3、磁金属薄膜，以及一种室温下可操作的具有显著Rashba效应的二维垂直异质结。论文的主要内容和结论如下：块体MoSi2是一种具有赝带隙特征的非磁金属材料。降低维度发现多层MoSi2薄膜也是非磁金属，而单层（三个原子层厚）MoSi2薄膜表现出金属磁性。通过偏好磁序计算和扩胞计算，确认了铁磁态是单层MoSi2薄膜的基态。同时，本文考虑了表面修饰对单层MoSi2薄膜磁性的影响，发现单侧氢饱和与单侧氧饱和会减弱体系磁性，而双侧氢饱和会导致磁性消失。进一步对单层MoSi2薄膜磁性的应变效应的研究表明，随着应变从-5%增加到5%，体系总磁矩单调减小，在5%拉伸应变时，体系

4、出现了从铁磁序到顺磁序的磁相变。分析表明，压缩应变会增加单层MoSi2体系的自旋极化率、局域磁矩以及最近邻原子之间耦合作用，从而增强体系磁性，而拉伸应变则起到相反的作用。本文将光学性质优越的二维MoS2与自旋轨道耦合作用强烈的三维拓扑绝缘体材料Bi2Te3构成垂直异质结，发现在MoS2/Bi2Te3异质结中两者电子态之间杂化作用强烈，原本属于MoS2的最高占据态能级几乎完全被Bi2Te3所占据。由于空间反演对称性的打破，体系能级出现了显著的Rashba效应。异质结电荷转移分析表明，电荷转移主要出现在界面Te原子层与S原子层之间。在电荷转移平衡之后，Te原子层

5、上携带正电荷，S原子层上携带负电荷。由于结构的平面对称性，两个带电原子层之间会形成一个均匀内建电场，文中估算了界面电荷转移量和内建电场的大小。分析可知，内建电场的大小正比于Rashba自旋劈裂程度的大小，说明内建电场可以增强体系的Rashba效应。本文预测了一种全新铁磁金属薄膜，即三个原子层厚的MoSi2薄膜；在MoS2/Bi2Te3垂直异质结中发现显著的Rashba效应，且界面内建电场对该效应有增强作用。由于MoSi2薄膜优越的结构稳定性、MoS2优异的光电子性质、以及Bi2Te3的拓扑绝缘体特征，这两个体系都将在自旋电子器件方面具有重要应用。关键词：第一

6、性原理计算；磁性薄膜；vdW异质结；Rashba效应；自旋电子学I新型自旋电子薄膜材料的第一性原理设计AbstractGenerally,thin-filmsandtwo-dimensional(2D)materialsshowmarkablydifferentelectronic,optical,catalyticandbandtopologicalpropertiescomparedtotheirbulkcounterpartsduetothequantumconfinementeffect.Researchontwo-dimensionalmateri

7、alshasrecentlyreceivedconsiderableinterestsowingtotheyareoftenverysuitableforcurrentorfutureelectronic,spintronic,optoelectronicdevices.Inordertofindthin-filmmaterialswithexcellentcharacteristicsanddesignnovel2Dheterojunctionmaterials,wehavepredictedanewferromagneticmetalthin-filma

8、ndavdwheterojunctionwithsi