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1、------------------------------------------------------------------------------------------------V_Cr_Mn掺杂MoS_2磁性的第一性原理研究_曹娟(1)物理学报ActaPhys.Sin.Vol.62,No.18(2013)187102V,Cr,Mn掺杂MoS2磁性的第一性原理研究*曹娟1)崔磊1)潘靖2)?1)(宿迁学院基础部,宿迁223800)2)(扬州大学物理与科学学院,扬州225002)(2013年5
2、月7日收到;2013年6月8日收到修改稿)基于第一性原理的自旋极化密度泛函理论分别研究了过渡金属V,Cr,Mn掺杂单层MoS2的电子结构、磁性和稳定性.结果表明:V和Mn单掺杂均能产生一定的磁矩,而磁矩主要集中在掺杂的过渡金属原子上,Cr单掺杂时体系不显示磁性.进一步讨论双原子掺杂MoS2体系中掺杂原子之间的磁耦合作用发现,Mn掺杂的体系在室温下显示出稳定的铁磁性,而V掺杂则表现出非自旋极化基态.形成能的计算表明Mn掺杂的MoS2体系相对V和Cr掺杂结构更稳定.由于Mn掺杂的MoS2不仅在室温下可以获得比
3、较好的铁磁性而且其稳定性很高,有望在自旋电子器件方面发挥重要的作用.关键词:单层MoS2,掺杂,铁磁态,第一性原理PACS:71.15.Mb,75.30.Hx,75.50.PpDOI:10.7498/aps.62.1871021引言最近,人们发现在非磁性的半导体材料中掺入少量3d族过渡金属元素或4f族稀土金属元素将——————————————————————————————————————-----------------------------------------------------------
4、-------------------------------------获得具有铁磁性能的新型功能材料,这种新型半导体材料被称为稀磁半导体(DMS)[1?3].由于杂质原子的引入,改变了原有半导体的微观机制,使其在电、磁等方面展现出极其独特的性质,并且由于它兼有半导体和铁磁的性质,即在一种材料中同时应用电子电荷和自旋两种自由度,则易于将半导体的信息处理与磁性材料的信息存储功能融合在一起,有望在自旋电子器件中发挥重要的作用.然而,人们对于DMS中磁性的来源众说纷纭.Ohno等[4]认为(Ga,Mn)As的
5、铁磁性可能是由于空穴载流子引起的.Akai[5]提出磁性离子之间的双交换作用使得III-V族稀磁半导体具有铁磁性质.Snure等[6]研究了Ni掺杂ZnO薄膜,认为出现的铁磁性是由于Ni原子聚集引起的,并不是材料的固有性质.为了弄清楚DMS中铁磁性的来源,人们对各种类型的半导体进行多种尝试.常被关注的有III-V和II-VI族半导体材料.但是对于III-V族半导体,由于磁性粒子在其化合物中的固溶度较低且居里温度低于室温,目前(Ga,Mn)As的最高居里温度也仅为200K[7],所以不利于其在实际中的应用.
6、而对于宽带隙的II-VI族半导体,虽然II族元素被过渡族金属原子替代后能够达到很高的磁性原子浓度,但是若掺杂成n型或p型却非常困难,这限制了其作为半导体器件的应用.因此寻找和合成更为合适的DMS材料已经成——————————————————————————————————————------------------------------------------------------------------------------------------------为目前自旋电子学研究的热点.近年来具有
7、独特层状结构的半导体MoS2由于独特的物理化学性质引起了科学工作者的广泛关注[8?11].MoS2作为典型的过渡金属二硫化物[12],其二维体系具有类石墨烯的蜂窝状点阵结构.块体的MoS2是层状的六角密排结构,由S-Mo-S层堆积而成,层与层之间通过范德华力相互作用,是一个典型的间接带隙的半导体,禁带宽度为1.29eV[13];而单层MoS2是禁带宽度为1.8eV的直接带隙半导体[14].这使得单层MoS2在晶体管、发光二极管和太阳能电池等方面都有潜在的应用[15?18].如Zhang等[16]采用微机械
8、力法剥离得到MoS2薄片,并选用离子液体作为栅极形成电双层双极性场效应晶体管.Yin等[18]用单层MoS2制作光晶体管并用于光检测,同时发现光检测的波长范*国家自然科学基金青年基金(批准号:11104239,11104240)和江苏省高校自然科学研究基金(批准号:12KJB140011)资助的课题.?通讯作者.E-mail:panjingc2013中国物理学会ChinesePhysicalSociety?http://wul
