碳、氧、硫掺杂二维黑磷的第一性原理计算

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1、物理学报ActaPhys．Sin．Vo1．63，No．20(2014)207301碳、氧、硫掺杂二维黑磷的第一性原理计算木谭兴毅)十王佳恒)朱神神)左安友)金克新2)1)(湖北民族学院理学院，恩施445000)2)(西北工业大学，凝聚态结构与性质陕西省重点实验室，西安710072)(2014年4月24日收到；2014年6月19日收到修改稿)基于密度泛函理论的第一性原理平面波赝势方法，研究了二维黑磷中的碳原子(Cp)、氧原子(Cp)、硫原子(sP)掺杂的几何结构、磁学性质和电子结构．发现掺杂体系结

2、构稳定，cP和Op体系形变较大，而sP体系形变较小；二维黑磷本身无磁矩，掺杂后都具有1／ZB的总磁矩．由于掺杂体系具有稳定的铁磁性，使其在自旋电子器件方面可发挥重要的作用．‘关键词：二维黑磷，电子结构，磁学性质，第一性原理PACS：73．20．At，71．15．Mb，75．50．GgDOI：10．7498／aps．63．207301景．Yin等【1采用单层MoS2材料制作了世界上第1引言～个光电晶体管，发现光电流的产生和湮没可以控制在50ms之内．Zhang等【。】使用MoS2材料研制场效应晶体

3、管(FET)是一种通过电场效应控了双极型晶体管，实现了空穴、电子导电，且开关比制电流的半导体器件，具有输入电阻高、噪声小、大于10．刘俊等[]研究了单层MoS2吸附不同有功耗低、动态范围大、易于集成、安全工作区域宽等机分子的能带特征，为单层MoS2在晶体管中的应优点，成为现代电子工业的基础．当前，在电子工用提供理论基础．Wang等【8，9】综述了辉钼半导体业中广泛应用的FET的材料是半导体Si，根据摩器件研制的进展，并提出了未来值得关注的方向．尔定律，Si芯片的制造工艺正逐渐逼近其物理极黑磷是磷

4、的一种同素异形体，由单层的磷原子堆叠限，所以必须要寻找性能更优良的新材料来替代而成，是禁带宽度为0．33eV的P型二维半导体材Si．迄今，人们尝试用石墨烯、单原子层锗来制备料[10】．最近，中国科学技术大学陈仙辉教授课题FET[1,2】．然而石墨烯没有半导体能隙，在电子学应组与复旦大学张远波教授课题组合作，成功制备出用中不能实现电流的“开”和“关”，弱化了其取代基于二维黑磷的场效应晶体管[11】．实验显示，当电子电路中半导体开关的用途[1]．单原子层锗在空二维黑磷材料厚度小于7．5am时，室温下

5、可获得气中极不稳定，极大地限制了实际应用【2】_黑磷以可靠的晶体管性能，漏电流的调制幅度在10万量及硫化钼的出现改变了这个局面[3-81．2007年，A—级，一特征曲线体现出良好的电流饱和效应．这yari等[3】研制出了世界第一支MoS2晶体管，其中些性能表明，二维黑磷场效应晶体管在纳米电子器MoS2材料厚度为8—20am．2011年，Radisavljvic件应用方面具有极大潜力．另一方面，电子也是自等【]利用单层MoS2制作了电子器件，并利用氧化旋载体，而关于二维黑磷在自旋方面的研究还鲜有铪

6、作为栅绝缘介质改善器件的电学性能，迁移率报道．二维黑磷在特定的条件下是否能产生铁磁高达200am／(v．S)，器件开关比大于1×10，预示性，能否作为稀磁半导体材料进行实际应用，是十单层MoS2材料在电子器件领域有着极大的应用前分有意义且具有挑战性的研究课题．为了解二维黑锄北省自然科学基金(批准号：2014CFB342)、湖北民族学院博士科研启动基金(批准号：4138031)和湖北民族学院科技创新团队项目(批准号：4138001)资助的课题．十通讯作者．E—mail：tanxingyi1009@

7、163．corn@2014中国物理学会ChinesePhysicalSocietyttp：／／wulixb．iphy．ac．c佗物理学报ActaPhys．Sin．Vo1．63，No．20(2014)207301磷中的可能的磁性行为和掺杂对其电子结构和磁采用Perdew—Burke—Ernzerhof的广义梯度近似描性的影响，本文采用基于第一性原理的自旋极化密述电子之间的交换关联．经过收敛测试，平面波截度泛函理论研究了O，S，C掺杂的二维黑磷的电子断能设定为280eV．计算过程中先进行几何结构优结

8、构、磁性和稳定性，结果发现O，S，C掺杂的二维化，得到稳定的结构后，再进行单点能、电子结构和黑磷具有很好的铁磁性并且其结构稳定，期望能为性能计算．二维黑磷在新型稀磁半导体的实际应用提供理论黑磷具有褶皱的层状结构，如图1(a)所示，实参考．验与理论所得晶格常数如表1所示，发现两者之间差值很小，表明本文的计算方法可行，所得结果可靠．本文模型是在结构优化后的晶胞基础上，沿X2计算方法与模型和基矢方向上分别扩展3个单位得到4×1×4的本文的计算工作采用基于自旋极化密度泛函超晶胞，然后删除Y基矢方向的底层