张德贺 周文哲 李奥林 欧阳方平3)†

1) (中南大学物理与电子学院, 长沙 410012)

2) (中南大学粉末冶金研究院, 粉末冶金国家重点实验室, 长沙 410083)

3) (新疆大学物理科学与技术学院, 乌鲁木齐 830046)

基于第一性原理计算系统地研究了氮族、卤族和3d 过渡金属元素(Ti, V, Cr, Mn, Fe, Co)替位掺杂对单层Janus 过渡金属硫族化合物WSeTe 电子结构的影响.通过对能带结构、电荷转移以及磁性的分析, 发现氮(卤)族原子替位掺杂单层WSeTe 会发生本征半导体-p (n)型半导体的转变, Ti, V 原子替位掺杂单层WSeTe会发生半导体-金属的转变.由于电荷转移以及氮族原子掺杂时价带顶的能带杂化现象, 卤族和氮族非金属元素掺杂时价带顶G 点附近的Rashba 自旋劈裂强度在同一主族随着掺杂原子原子序数的增大而增大.3d 过渡金属元素掺杂会产生能谷极化和磁性, 其中Cr, Mn 原子替位掺杂会产生高于100 meV 的能谷极化, 并且Cr,Mn, Fe 元素掺杂在禁带中引入了电子自旋完全极化的杂质能级.研究结果对系统地理解单层WSeTe 掺杂模型的性质具有重要意义, 可以为基于单层WSeTe 的电子器件设计提供理论参考.

1 引 言

石墨稀、六方氮化硼(h-BN)、过渡金属硫族化合物(TMDs)、过渡金属氧化物和磷稀等二维材料由于其卓越的性能和丰富的物理化学性质[1−5], 为其应用和基础研究提供了可能性, 在太阳能电池、晶体管(场效应晶体管)、发光二极管、光电探测器、激光等新型电子和光电子器件中有非常理想的应用前景[6−11].在这些二维材料中, TMDs 因其可调节的带隙以及独特的电子、光……