无序杂质对单层二硫化钼电子结构及输运性质的影响

Different from its bulk structure, monolayer of molybdenum disulfide (MoS_2), analogues as graphene, is a kind of two-dimensional layered semiconductor with a direct band gap of 1.8 eV. The devices built on monolayer of MoS_2 have many unique electrical, optical properties that will offer many benefits for further applications in nanoscale electronics, optoelectronics and other fields. This project will focus on studying how the disorder impurities (vacancies, substitutional defects, chemical adatoms, etc) scattering affect electronic structure and quantum transport properties in monolayer of MoS_2 which are very important for the design of more efficient electronic devices. At first, the accurate tight-binding Hamiltonian for MoS_2 both in real space and momentum space will be given by ab initio simulations and our well-developed Lanczos recursive calculations. And then through the large-area numerical simulation in real space and momentum space, we can calculate density of states and spectral functions, simulate quasiparticle band structures and effective energy dispersions, investigate the modulation mechanism of impurity scattering on the band gap. Moreover, we will consider the localization of the impurity states and their effect on the transport properties based on the one-parameter scaling hypothesis and exact diagonalization method.

单层的二硫化钼（MoS_2）是一种类石墨烯的无机二维层状材料，不同于其体材料，它是禁带宽度为1.8eV的直接带隙半导体。由于其独特的电学、光学等性质，在纳米电子学、光电子学等领域将具有非常重要的应用价值。 本项目研究无序杂质（空位、替代杂质及化学吸附基团等）对单层二硫化钼的电子结构和量子输运性质的影响。 这些效应的研究对设计高效率的电子器件具有非常重要的意义。首先，利用我们发展完善的Lanczos计算方法与第一性原理方法模拟相结合，提出能够精确描述二硫化钼的实空间（动量空间）紧束缚模型的哈密顿量。进而在实空间和动量空间进行大尺寸的精确数值模拟，计算杂质对体系的态密度、准粒子谱函数等性质的影响，并模拟其能带结构、准粒子能量色散关系，研究杂质散射对带隙的调制机制。此外，我们还将结合单参数标度理论和严格对角化的方法，分析杂质散射带来的局域化效应及其对输运性质的影响。

我们利用自行发展的大规模精确数值模拟方法LMTB（Lanczos Method on Tight -Binding model）系统研究了单层二硫化钼体系中的无序效应（空位、吸附原子）。不同于零带隙的单层石墨烯材料，具有1.8eV直接带隙的单层二硫化钼具有天然的电子学优势，实验上也已经制备出了利用单层二硫化钼作为通道材料制造出了具有高电流开关比、高电子迁移率、超低待机功耗的场效应管。此外，在单层二硫化钼中第一次实现了谷极化，这一结果对谷电子学（Valleytronics）以及相关的自旋电子学（Spintronics）的发展具有极其重要的意义。我们通过对第一性原理计算得到的能带结构进行数值模拟得到可以用于大规模数值计算的紧束缚格点哈密顿量，进一步分别在动量空间和实空间对无序调控的电子结构作了计算，并将所得结果用于讨论这一体系中的局域化性质。通过对实空间波函数的模拟，进一步得到了杂质带中共振能级和杂质浓度的关系，从而这一机制归结为杂质原子的多重散射效应。最后，对输运性质的计算结果表明，通过调控杂质浓度以及吸附构型可以实现对二硫化钼体系输运性质的精确调控。除此之外，我们也研究了无序调控的二硫化钼条带中的自旋—谷极化效应。通过对电导等物理量的具体计算，讨论自旋—谷极化在什么条件下会被破坏。这些结果不仅阐明了二硫化钼体系中无序现象的物理机制，也对其在器件应用中有重要指导意义。