单层过渡金属硫族化合物(TMDs)掺杂改性的第一性原理计算与光电性能研究

Monolayer transition-metal dichalcogenides (TMDs) have potential wide applications in the fields of nano-electronics and nano-photoelectronics due to their unique crystal and electronic structures. It is important to control the electronic structure by tuning the monolayer TMDs composition from the atomic levels with the aim to improve the optical, electrical and photo-electrical properties, of which the key is to find simple and feasible methods. Based on the previous research results, in this project, using both first-principles calculation and experiment, we will prepare large-sized monolayer TMDs and then tune the electronic structure by employing chemical doping and physical surface treating, with the aim to control the optical and photo-electrical properties. Then influences of electrical, magnetic fields and strain on the structures and properties will be investigated. Doping strategy of substantially altering the spin-orbital coupling will be proposed for the application in the fields of spin-electronics and spin photo-electronics both from the theoretical and experimental aspects. Materials design, materials synthesis, device fabrication, properties characterization and mechanism investigation will be systematically performed in this project for the purpose of improving the structure and properties, exploring new physical phenomena and new applications. This project will propose new research results on the atom-thin two dimensional (2D) semiconductors and shed lights on other 2D materials, contributing to the application research of this kind of materials in nano-devices.

单层过渡金属硫族化合物(TMDs)由于其独特的晶体结构和电子结构在纳米电子学和纳米光电子学领域有广阔的应用前景。从原子层次调节单层TMDs的成分对于调制其电子结构进而改善光学、电学和光电转换性能非常重要，寻找简单易行的调节方法是关键。本项目基于前期工作基础，以第一性原理计算和实验相结合，制备大面积单层TMDs，通过化学掺杂和表面物理处理等手段改变成分，调制电子结构，从而调节光学和光电性能，并探讨电场、磁场、应力等对结构和性能的影响。然后提出能显著改变其自旋轨道耦合作用的元素掺杂方法，为其在自旋电子学和自旋光电子学领域的应用提供理论与实验依据。本项目综合进行材料设计、材料制备、器件制作、性能表征和机理阐释，旨在改善TMDs的结构与性能，探索新的物理现象，发现新应用，从而为原子层厚度二维半导体材料的研究提供新思路，并将研究方法推广到其它二维材料，为该类材料在纳米功能器件中的应用做出重要贡献。

为推进过渡金属硫族化合物(TMDs)在纳米电子学和纳米光电子学领域的应用，本项目第一性原理计算与实验相结合，综合进行单层和少层TMDs及相关二维材料的理论设计、可控制备和器件构建，探索光、电、磁和光电转换性能，揭示物理机制，提出改性途径。.发明了制备大面积单层TMDs的半封闭式化学气相沉积法，获得了一系列单层/少层高质量晶体，阐明了WS2晶体生长机理和关键影响因素。揭示了硫空位对单层TMDs光学和电催化产氢性质的影响机制，采用调制晶体形状和尺寸以及与二维Ti3C2Tx复合的方法提高了MoS2的电催化产氢性能，获得了可见光照射下少层ZnIn2S4纳米片优异的光催化活性。利用NH3对少层WS2场效应晶体管进行处理实现电子掺杂，大幅度提升了电学性能。采用CTAB在单层和少层WS2/WSe2器件上实现了可控的非兼并电子掺杂，利用局部电子掺杂制备了平面p−n结型WSe2光电探测器，各项性能均高于同类探测器，其性能提升归因于界面肖特基势垒降低和空间电荷区变窄。通过氧等离子体对p−n结的p型部分进行处理，使光电探测性能得到有效提升。系统研究了增强单层TMDs自旋轨道耦合的方法，通过掺杂卤族元素和n-p共掺杂改变配位场、造成表面电荷的不对称分布从而增强自旋轨道耦合，在单层WS2导带底获得较大的自旋轨道劈裂。通过在单层WS2表面引入3d过渡金属原子，诱导局部磁矩，造成不对称电场，产生显著的自旋轨道劈裂和谷极化。研究了二维VSe2的磁性与层数、应力和缺陷的关系，通过施加应力和引入空位使二层晶体由反铁磁性转变为铁磁性。制备了基于少层黑磷的场效应管，发现其层间电阻为定值，载流子在薄片中倾向于在水平方向传输，利用氢气处理的方法提升了黑磷器件的稳定性。详细研究了二维氮化碳的光学性质，通过调制微观形貌、调控缺陷，显著提升了光响应性能。.本项目为单层/少层TMDs及相关二维材料的理论设计、可控制备、光电性能改善、光电器件构建及电子自旋相关性能预测做出了具有重要参考价值的研究成果，在Advanced Materials, Physics Review B等期刊上发表论文14篇，申请发明专利一项。