弹性应变下原子薄膜的电子结构和输运性质的理论和计算研究

In recent years, the novel mechanical behavior of atomic membrane materials, as well as mechanical, electrical and magnetic multi-field coupling effect has opened up a very broad way for the development of new materials and devices with special performance. In particular, ultra-strength phenomenon of atomic membrane provides an unprecedented exploration space for us to apply elastic strain engineering to control the physical and chemical properties of materials. However, this emerging field of research is still in its infancy and many novel phenomena and underlying physical mechanism is still unclear. We will combine theory and computational simulation methods to study the hexagonal boron nitride and molybdenum disulfide atomic monolayer. Our study will focus on the effect of elastic strain on structure, electronic and transport properties of atomic membranes. And we will further explore and reveal the electro-mechanical coupling effects and underlying physical mechanism. In the study we will also develop new methods to calculate the electronic structure of atomic membrane under strain. On this basis, we will propose the new principle for designing functional devices by applying elastic strain engineering to control the electronic and transport properties of atomic membrane. These studies will deepen our understanding on atomic membrane, especially the electro-mechanical coupling effects, and promote the development of this emerging research field.

近年来，原子薄膜材料所涌现出的奇异力学行为，以及力、电、磁等多场耦合奇异效应为开发特殊性能的新材料和新器件开辟了极为广阔的途径。特别是，原子薄膜材料中超强度现象的出现为我们通过弹性应变工程来调控材料的物理和化学性质提供了巨大的探索空间。然而，这一新兴领域的研究尚处于起步阶段，许多奇异现象及其背后的物理机制还不清楚。本课题将联合理论和计算模拟的方法，针对六方氮化硼和二硫化钼原子薄膜材料进行系统深入的研究，主要集中在弹性应变对其结构、电子和输运性质的调控，并进一步探索和揭示这些材料的力电耦合性质的物理机制。并且，在研究过程中也会根据需要发展新的计算方法来处理原子薄膜材料在应变下的电子结构问题。在此研究基础上，提出利用弹性应变工程调控原子薄膜材料电子和输运性能的新功能器件原理。这些研究必将加深我们对原子薄膜材料的认识，特别是对力电耦合性质的深入理解，推动这一新兴研究领域的发展。

近年来，二维原子薄膜材料所涌现出的力、电、磁多场耦合效应为开发特殊性能的新材料和新器件开辟了极为广阔的途径。本课题联合理论和计算模拟的方法，对二维原子薄膜材料的力、电、磁多场耦合性质进行了系统深入的研究。主要研究工作总结如下：（1）研究了过渡金属硫化物单层中的掺杂磁性及其应变调控的物理机制。应变诱导了磁性原子局域对称性的改变，导致轨道劈裂和电子轨道占据的变化，从而引起了局域磁矩的改变，对实际中调控磁性提供了一种方案。（2）研究了二维铁磁半导体材料CrSiTe3和CrGeTe3磁耦合的应变调控机制。发现这种应变可控性源于弹性应变下磁性原子之间直接反铁磁交换相互作用和间接铁磁交换相互作用之间的竞争效应。（3）研究了非均匀应力场造成的过渡金属硫化物单层的波浪形超结构的电子性质及其带隙的应变调控机制。发现波浪形结构的高度差在垂直电场下造成势能差，从而使得整个超结构的价带顶和导带底电子波函数局域在最低和最高位置，导致了能带移动，减小了带隙。（4）研究了MoTe2谷劈裂的磁控制。我们发现EuO基底可在MoTe2中造成较强的交换场，引起了超过200 meV的谷劈裂，为二维原子薄膜材料在谷电子学上应用提供了理论支持。（5）研究了基于石墨烯的异质结构设计自旋电子材料。我们发现联合近邻诱导交换场和打破子晶格对称性两种效应可设计基于石墨烯的半金属和自旋半导体，为发展石墨烯自旋电子学提供了理论支持。