应力对3d过渡金属掺杂单层二硫化钼磁性调控的第一性原理研究

摘要

二维单原子层量子薄膜因为其优异的性质及其在自旋电子学器件中的潜在应用前景受到人们的广泛关注。单层二硫化钼由于其独特的物理结构和性质使得其成为未来纳米器件中的优选材料。单层的二硫化钼是具有1.9eV的直接带隙半导体，这使得它可以在常温下被成功制备成场效应晶体管。为了满足自旋电子学发展对特殊性能纳米材料的需求，我们需要对二维材料的电子结构和磁性进行调制，其中一种很有效的调制方法就是替代掺杂过渡金属元素。在自旋电子学中，磁各向异性（magnetic anisotropy energy，MAE）是最重要的一个性质。很多研究结果都证实对称性的减少和维度的减少可以产生相当可观的磁各向异性,大的磁各向异性有利于调制自旋输运和高密度的磁性存储。因此，本文采用第一性原理方法，系统研究和分析了应力对3d过渡金属替代掺杂单层二硫化钼的电子结构，磁性性质和磁各向异性的影响,我们取得了以下主要研究成果：
　　我们系统研究了3d过渡金属掺杂的单层二硫化钼在不同应力下电子结构和磁性的变化。通过态密度、能带结构、自旋电荷密度等手段分析了双轴应力对过渡金属掺杂二硫化钼电子结构和磁性影响的原因。结果发现随着双轴应力的加大，铁掺杂二硫化钼系统的磁性会发生一个突变，而Cr和Mn掺杂系统的磁性不受应力影响。当应力从s=0％增加到s=4％时，Fe掺杂系统的磁矩由2μB增加到4μB，实现了从低自旋到高自旋的转变，形成了一个很好的自旋开关。随后随着应力的增大系统的磁矩保持不变。同时，铁和周围三个钼原子之间的耦合形态也发生了明显的变化。另外，我们系统分析了不同应力下系统的能带结构图，我们发现了一系列有趣的电子结构:在s=0％时，铁掺杂的二硫化钼系统是自旋极化半导体；s=3％,s=4％及s=6时，铁掺杂的二硫化钼系统分别是双极磁性半导体（BMS）、半半导体（HSM）及自旋无极化半导体（SGS）。这些结果都显示出基于二硫化钼的过渡金属掺杂在自旋电子学器件中良好的应用前景。
　　由于维度的减少和对称性的打破，Fe-MoS2体系的磁各向异性也显示出其独特的特点。我们在上述工作的基础上，采用加自旋轨道耦合（SOC）的方法计算并详细分析应力对过渡金属铁掺杂单层二硫化钼的磁各向异性的影响。结果发现，应力能够在改变铁掺杂二硫化钼系统的磁矩的同时也改变了其磁各向异性的大小和易磁化轴的方向。应力作用使得易磁化轴的方向由垂直方向变成了水平方向，而且这个方向的转变和磁态的转变是一致的，都是在应力s=3％时候发生的。

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第一章 绪论

1.1 引言

1.2 MoS2的结构与性质

1.3 低维MoS2的制备和应用

1.4 低维MoS2的研究现状

1.5 本论文的研究目的和内容

第二章 理论与计算方法

2.1 密度泛函理论（DFT）

2.2 计算软件简介

第三章 应力对3d过渡金属掺杂MoS2系统的电子结构和磁性的影响

3.1 引言

3.2 计算方法和计算模型

3.3 应力对TM-MoS2系统电子结构和磁性的影响

3.4 本章小结

第四章 应力对Fe-MoS2系统磁各向异性能的调控

4.1 引言

4.2 计算方法和理论模型

4.3 应力对Fe-MoS2磁各向异性的调控

4.4 本章小结

第五章 总结与展望

5.1 论文总结

5.2 展望

参考文献

致谢

攻读硕士期间发表和完成的论文