过渡金属原子X (X=Mn、Fe、Co)掺杂单层Janus WSSe的第一性原理研究

二维Janus WSSe作为一种新兴的过渡金属硫族化合物(TMDs)材料,由于其打破了面外镜像对称性,且具有内在垂直压电和强Rashba自旋轨道耦合效应等丰富的物理特性,在自旋电子器件中具有巨大的应用潜力。本文基于密度泛函理论的第一性原理平面波赝势方法计算了过渡金属原子X(X=Mn、Fe、Co)掺杂单层Janus WSSe的电子结构、磁性和光学性质。结果表明：在Chalcogen-rich(硫族元素为多数元素)条件下的掺杂比在W-rich(钨元素为多数元素)条件下的掺杂展现出更高的稳定性,且掺杂后所有体系均表现出磁性。值得一提的是,对该体系进行Mn掺杂后,自旋向上通道出现杂质能级,WSSe由原来的非磁性半导体转变成磁矩为1.043μ_B的铁磁性半金属。而Fe、Co的掺杂使得自旋向上通道和自旋向下通道均出现杂质能级,呈现出磁矩分别为1.584μ_B、2.739μ_B的金属性。此外,掺杂体系的静态介电常数都显著增加,极化程度增强,且介电函数虚部和光吸收峰都发生了红移,说明掺杂有利于对可见光的吸收。     

不同浓度下V掺杂Mg2Si的第一性原理研究

本文用基于密度泛函理论的超软赝势平面波方法,分别计算了四种V掺杂模型Mg_2-xV_xSi(x=0,0.25,0.5,0.75)的电子结构和光学性质,并对其能带图、态密度图和光学性质进行了分析.结果表明,V掺杂之后会使Mg₂Si由其原本的半导体性变为半金属性,在费米能级处出现了杂质能级,态密度图也显示V元素的3d轨道的贡献在费米能级附近占据主导地位,Mg₂Si的光学性质随着V元素的掺入也发生了改变.该文为Mg₂Si材料在电子器件和光学器件方面的应用提供了理论依据.     

Modulation of Schottky barrier in XSi2N4/graphene (X=Mo and W) heterojunctions by biaxial strain

Reducing the Schottky barrier height (SBH) and even achieving the transition from Schottky contacts to Ohmic contacts are key challenges of achieving high energy efficiency and high-performance power devices. In this paper, the modulation effects of biaxial strain on the electronic properties and Schottky barrier of MoSi₂N₄ (MSN)/graphene and WSi₂N₄ (WSN)/graphene heterojunctions are examined by using first principles calculations. After the construction of heterojunctions, the electronic structures of MSN, WSN, and graphene are well preserved. Herein, we show that by applying suitable external strain to a heterojunction stacked by MSN or WSN — an emerging two-dimensional (2D) semiconductor family with excellent mechanical properties — and graphene, the heterojunction can be transformed from Schottky p-type contacts into n-type contacts, even highly efficient Ohmic contacts, making it of critical importance to unleash the tremendous potentials of graphene-based van der Waals (vdW) heterojunctions. Not only are these findings invaluable for designing high-performance graphene-based electronic devices, but also they provide an effective route to realizing dynamic switching either between n-type and p-type Schottky contacts, or between Schottky contacts and Ohmic contacts.     

Cr、Sn、Co掺杂对层状二维材料MoSi2N4的电子和光学性能的影响

基于新合成的二维材料MoSi₂N₄（MSN）,我们建立了一系列MSN的掺杂模型进行了第一原理计算。首先,我们计算了本征MSN的电子特性,包括其能带结构和态密度。然后我们研究了Cr、Sn和Co掺杂对MSN的电子和光学性质的影响。结果表明,在3种掺杂体系中,Co掺杂体系表现出最低的形成能,这表明Co掺杂体系是最稳定的。通过带隙计算表明,尽管3种掺杂模型都降低了MSN的固有带隙,但却表现出3种不同的电子特性。态密度图也显示,Cr和Co掺杂体系都在导带底（CBM）和价带顶（VBM）附近产生局部尖峰。此外,光学性质的计算中表明,掺杂后体系的光学性质也得到了改善。     

过渡金属原子X(X=Mn,Tc,Re)掺杂二维WS2第一性原理研究

二维材料由于具有独特的电子结构和量子效应、丰富的可调控特性而受到凝聚态物理和材料科学的广泛关注,其中通过过渡金属掺杂二维WS2形成的半金属铁磁性材料在自旋电子学领域中发挥着重要的作用.采用基于密度泛函理论的第一性原理赝势平面波方法计算了过渡金属原子X (X=Mn, Tc, Re)掺杂二维WS~2的电子结构、磁性和光学性质.研究表明:被过渡金属原子X掺杂的WS~2体系在S-rich条件下比在W-rich条件下更稳定.在Mn掺杂后,自旋向上通道中出现杂质能级,导致WS~2体系从自旋向上和自旋向下态密度完全对称的非磁性半导体转变为磁矩1.001μB的铁磁性半金属.在Tc, Re掺杂后,体系均转变为非磁性N型半导体.所有掺杂体系杂质态均发生自旋劈裂现象,且自旋劈裂程度逐渐减小.同时发现Mn, Tc, Re掺杂后,表现出优异的光学性质,它们的介电常数和折射系数与未掺杂WS~2的体系相比明显增强,吸收系数在低能量区域(0—2.0 eV)均出现红移现象.     

第一性原理研究Al掺杂Mn4Si7的电子结构及光学性质

基于密度泛函理论框架下,利用第一性原理计算方法,对本征Mn₄Si₇以及不同Al掺杂浓度下Mn₄Si₇的电子结构及光学性质进行系统计算分析. Mn₄Si₇晶胞中有16个Mn原子及28个Si原子,建立4种Mn_16-xAl_xSi₂₈(x=0,2,4,8)的掺杂模型,计算结果表明：本征Mn₄Si₇的禁带宽度E_g =0.775 eV,属于间接带隙半导体,Al的掺入导致了Mn₄Si₇费米能级附近的电子结构发生改变,导带向低能方向发生偏移,价带向高能方向发生偏移,禁带宽度由0.775 eV降至零,呈现出金属性.计算还表明,在光子能量低能区域,Al的掺入使Mn₄Si₇的介电函数、折射率、吸收及反射系数等光学性质有所提升,改善了Mn₄S...     

碱土金属X（X=Be，Mg，Ca和Sr）掺杂二维SnS2材料的第一性原理研究

基于密度泛函理论的第一性原理研究赝势平面波方法，计算了碱土金属X(X=Be, Mg, Ca和Sr)掺杂二维单层SnS₂的电子结构、磁学性质和光学性质.结果表明：S-rich条件下的体系相较于Sn-rich更稳定，能带结构表明：在Be掺杂后，SnS₂体系从自旋向上通道和自旋向下通道完全对称的非磁性半导体转变为具有1.999μ_B磁矩的磁性半导体.在Mg掺杂后，体系转变为非磁性P型半导体；Ca和Sr两种掺杂体系由于极化程度的不同，导致在下自旋通道的能带穿过费米能级，而在上自旋通道的能带并未穿过费米能级，呈现出磁矩分别为1.973、2.000μ_B的半金属特性.同时发现X(X=Be, Mg, Ca和Sr)掺杂后，掺杂体系实部静态介电常数大幅度增加，掺杂后的SnS₂体系的极化能力增强，虚部数值在低能区明显变大，更适用于长波长光电器. Be, Mg, Ca和Sr掺杂不仅导致吸收边红移，而且提高了红外光区域的有效利用率.     

二维MoSi2N4WSe2异质结的第一性原理研究

实验上新合成的MoSi2N4（MSN）由于其独特的七原子层结构和电子特性引起了人们的广泛关注。本文搭建了一种由二维MSN与二维WSe2（WS）垂直堆垛而成的二维MSN/WS异质结，其表现出直接间隙半导体和I型能带排列的特性，具有1.46 eV的带隙。在异质结界面处存在一个由电荷耗尽层MSN指向电荷积累层WS微弱的内建电场。最后，通过施加双轴应变对二维MSN/WS异质结进行调控。发现在正双轴应变的作用下，MSN/WS异质结保持了原来直接带隙半导体和I型能带排列特性；在负双轴应变作用下，MSN/WS异质结由原来的直接带隙半导体转变为间接带隙半导体，当施加的负双轴应变达到-6%与-8%时，I型能带排列转变为Ⅱ型能带排列。     

过渡金属元素X（X=Mo，Tc，Ru）掺杂单层GaS的第一性原理研究

近年来，二维GaS由于其优异的性质引起了科研人员的关注.基于密度泛函理论计算了过渡金属元素X(X=Mo, Tc, Ru)掺杂单层二维GaS的电子结构、磁性性质及光学性质.计算结果表明：单层GaS材料为间接带隙的非磁性半导体，在对S位点进行替位式掺杂后，Ga-rich和S-rich条件的形成能均为正数，导致过渡金属元素Mo、Tc和Ru不能自发地进入进入单层GaS材料中.所有掺杂体系都引入了杂质能级，杂质能级主要由掺杂原子的4d轨道贡献.掺杂后所有体系的带隙都有所减小，上自旋和下自旋的能带结构不再对称，使得Mo掺杂体系呈现半金属铁磁性，Tc和Ru掺杂体系呈磁性半导体特性，Mo、Tc和Ru掺杂后的总磁矩分别为4μ_B, 3μ_B和2μ_B,磁矩主要由掺杂原子的局域磁矩产生.掺杂后单层GaS的静介电常数得到提高，吸收谱出现红移，在可见光区和近红外区的吸收系数变大，对可见光的利用率增强.     

不同浓度Mg掺杂单层Janus WSSe的第一性原理研究

二维Janus WSSe作为一种新型过渡金属硫族化合物(TMDs)材料由于其独特的面外非对称结构及众多新颖的物理特性，在自旋电子器件中具有巨大的应用潜力.本文基于密度泛函理论的第一性原理平面波赝势方法，通过构建四种掺杂模型W_9-xMg_xS₉Se₉(x=0、1、2、3),分别计算了不同浓度Mg掺杂单层WSSe的电子结构和光学性质.结果表明：掺杂使得WSSe由直接带隙半导体变为间接带隙半导体，并且随着掺杂浓度的增加，带隙逐渐减小，费米能级穿过价带，使得掺杂体系变成P型半导体，当x=3时，掺杂体系呈现金属性.此外，掺杂体系的静态介电常数随着掺杂浓度的增加而变大，极化程度显著增强，介电函数虚部和光吸收峰都发生了红移，说明掺杂有利于可见光的吸收.并且，静态折射率随着掺杂浓度的增加而呈现上升趋势，同时消光系数的峰值也与Mg原子的掺杂浓度呈现正相关.