旋-轨耦合对MoS2/WSe2超晶格薄膜和Pt/Co多层膜电子结构的影响

摘要

本文采用第一性原理计算方法研究了旋-轨耦合(SOC)对MoS2/WSe2超晶格薄膜电子结构和Pt/Co多层膜物性的影响。MoS2/WSe2超晶格是潜在的重要光电材料，而Pt/Co多层膜是磁性器件应用中的重要基本结构之一。
　　理论研究表明，MoS2/WSe2超晶格薄膜可以通过控制MoS2和WSe2的厚度比来实现直接带隙的连续可调性。当该比值从1∶2变化到5∶1时，布里渊区K-K点之间的直接带隙值从0.14 eV连续的变化到0.5 eV。该超晶格在-0.6％到2％的面内应力或高达-4.3％的垂直于膜面的压应力情况下仍然保持是直接带隙。旋-轨耦合使超晶格薄膜电子结构的价带和导带发生劈裂，进而使带隙值减小，反映到吸收谱则是考虑SOC较未考虑SOC时吸收边的红移现象。同时旋-轨耦合也使得K和K'可分辨。上述结果表明，该超晶格薄膜在红外光电子学和谷电子学方面具有很大的应用潜力。
　　理论计算发现，在Pt/Co多层膜中，Pt和Co原子同晶向结构比孪晶结构更稳定。在[Pt/Co]2多层结构中，原子层间距(L)和原子磁矩(M)的变化趋势与其他多个周期的变化趋势一致。[Pt/Co]2多层结构表面覆盖金属氧化物（MgO和CoO）后，界面效应使得金属-氧化物接触界面1～2个原子层的L、M和SOC强度发生明显变化，并且不同的接触方式变化趋势不尽相同。这一研究有助于磁性器件物性的研究和提高反常霍尔效应中的霍尔电阻率，同时也为未来进一步研究反常霍尔效应的理论机制提供了参考。

目录

声明

摘要

1 绪论

1．1 低维薄膜材料简介

1．1．1 薄膜材料分类

1．1．2 薄膜材料在太阳能电池方面的进展

1．1．3 磁性多层膜材料的研究进展

1．2 旋-轨耦合(简称SOC)对材料的影响

1．2．1 SOC对电子结构的影响

1．2．2 SOC对反常霍尔效应的调控

2 理论研究方法

2．1 密度泛函理论(DFT)理论基础

2．1．1 伯恩-奥本海默(Born-oppenheimer)近似

2．1．2 HK定理

2．1．3 Kohn-Sham方程

2．1．4 交换关联泛函

2．1．5 平面波展开和雁势

2．1．6 DFT+U方法

2．2 第一性原理计算

2．3 第一性原理计算常用软件、VASP软件包介绍

3 过渡金属硫属化物MoS2／WSe2超晶格薄膜

3．1 研究背景

3．2 计算细节

3．3 MoS2／WSe2比值对能带的调制

3．4 面内应力对带隙的调制

3．5 垂直方向应力对带隙的调制

3．6 厚度比1∶1超晶格电子结构分析

3．6．1 能带结构

3．6．2 实空间波函数

3．6．3 光学性质

3．7 小结

4 Pt／Co多层膜及与金属氧化物的界面物理研究

4．1 研究背景

4．2 计算细节

4．3 理论计算选取的厚度和晶向确定

4．3．1 晶向确定

4．3．2 周期数确定

4．4 接触方式确定

4．5 与实验结果相关的讨论

4．5．1 与[Pt／Co]2多层结构相比，[Pt／Co]2／MgO层间距和磁矩变化情况

4．5．2 与[Pt／Co]2多层结构相比，[Pt／Co]2／CoO层间距和磁矩变化情况

4．5．3 磁矩变化与实验的结论对比分析

4．5．4 与[Pt／Co]2相比，[Pt／Co]2／MgO的SOC强度λ变化情况

4．5．5 与[Pt／Co]2相比，[Pt／Co]2／CoO的SOC强度λ变化情况

4．5．6 SOC变化与实验的结论对比分析

4．6 小结

5 总结与展望

参考文献

致谢

在校期间科研成果