MPTs-TMDs范德华异质结自旋注入性质的电场调制机理研究

As a result of widely potential applications in the design of spintronic device, spin characteristics of two-dimensional layered van der Waals heterostructures is one of research focus fields now. In this project, we will build some van der Waals heterostructures based on transition metal dichalcogenides and metal phosphorus trichalcogenides which is a new kind of antiferromagnetism two-dimensional layered materials. Then we will study properties of spin injection with electric field regulation in weak interaction systems. And the intrinsic physical mechanism will be discussed. The main research contains: 1)By first-principles calculation, we will systemically study the spin electronic structures of van der Waals heterostructures with physical regulating, like extra electric field, magnetic field and so on. And the spin charge-transfer mechanism in heterostructures will be illuminated. 2) Using the first-principle electronic structure calculation combined with the Boltzmann transport method, we will explore the relationship between spin electronic structures and charge transport. Furthermore, we will present a modulation scheme which can offer superior charge transport properties and spin characteristics in semiconducting van der Waals heterostructures. 3) Based on the first-principle calculation and non-equilibrium Green's function, using ferromagnetic state MPTs as spin charge sources, we will discuss the spin injection, flip and relaxation phenomena along in-plane and out-plane in the weak interaction systems deeply. The calculation results can provide the theoretical basis for the development of the practical spintronic nano-devices based on two-dimensional materials.

二维材料范德华异质结的自旋特性是当前国内外研究热点，其在新型自旋电子器件的设计中具有广阔的应用价值。本项目以最新的反铁磁性二维材料——MPTs（Metal Phosphorus Trichalcogenides）为基础，与TMDs（Transition Metal Dichalcogenides）构建范德华异质结，研究弱相互作用下自旋注入性质的电场调控机理，主要研究内容如下：1）通过密度泛函理论研究电场、磁场调制对异质结自旋电子结构的影响，阐明其中自旋电荷转移的调制机理；2）采用第一性原理结合玻尔兹曼输运方法，研究自旋电子结构和电荷输运之间的关联，提出兼具优异电荷输运能力和自旋特性的调制方案；3）基于第一性原理和非平衡格林函数方法，以铁磁态的MPTs作为自旋注入源，深入探讨电场驱动下弱相互作用中的自旋注入、翻转和弛豫等现象。本项目的研究成果将为新型自旋纳米电子器件的实际研发提供理论依据。

以MoS2为代表的二维材料和其范德华异质结，因特殊的物理化学性质，成为了当前研究的热点，尤其是在半导体器件材料中。本项目利用第一性原理计算来研究低维半导体材料中的电子性质。主要的研究内容如下：1，缺陷物理是半导体器件的核心，当前利用第一性原理计算带电缺陷存在很多争议。项目主持人提出了一个严谨的、透明的、与体系维度无关的带电缺陷计算理论TRSM模型。该理论方法将对所有低维系统中的缺陷物理研究产生重大影响；并利用TRSM模型系统研究了MoS2中点缺陷的形成能。2，S空位是MoS2中常见的缺陷，我们研究发现该缺陷对I有非常合适的吸附能，可以加速（I−3 /I−）的氧化还原反应；通过压缩双层MoS2的层间距，可以使完整层的电荷会转移到拥有缺陷的MoS2层，并聚集在S空位缺陷所在的三个Mo原子上，使得体系呈现一定的铁磁性；3，电场可以调节单层或异质TMD的能隙，可以诱导Rashba分裂和自旋分裂间隙，当MoSSe/WSSe异质双层中的电场强度达到0.5V/A时，发生半导体-金属跃迁。4，对第四主族纳米线材料（DNTs-C，DNTs-Si，DNTs-SiC和DNTs-Ge）的电子性质进行了研究，发现它们都是宽禁带半导体，有较高的载流子迁移率且都表现出双极性行为；对于金刚石纳米线，我们提出通过C-C双键的插入获得全新的纳米线结构，并系统地研究了这类材料的力学和电子性能，为这类材料的进一步应用提供了理论预言。5，使用第一性原理计算，对氢、氟和氧原子边缘修饰的锯齿形形α-石墨炔纳米带（ZαGYNR）发现，不对称边缘氟化可以打破自旋简并，并在基态（铁磁态）下为ZαGYNRs引入1μB磁矩，但使该系统显示出双极磁性半导体特性；研究了硼和氮原子单独掺杂对锯齿型硅烯纳米带器件中自旋输运行为的调控作用，发现硼和氮原子的掺杂区域对器件的自旋输运性质起着关键作用。执行结果主要反映在已发表的基金标注（No. 11704114）论文中。