过渡金属原子掺杂单层WS2的第一性原理研究

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本文采用基于密度泛函理论的第一性原理方法,研究了单个或两个相同过渡金属TM原子Mn,Fe,Co和Ni掺杂WS2体系的几何结构、电子特性和磁特性,结果表明,单个Mn,Fe,Co和Ni掺杂的单层WS2体系是总磁矩分别为1、2、3、4 μB且分别具有较小的自旋向下带隙1.262、1.154、1.407和1.073 eV的HM铁磁体。通过对比体系的形成能Eform,我们发现在富S条件下更容易将Mn,Fe,Co或Ni原子掺杂到单层WS2中。此外,Mn,Fe,Co和Ni掺杂体系的形成能依次增加,表明Mn掺杂的单层WS2体系比Fe,Co,Ni掺杂的单层WS2体系稳定。对于两个相同的TM原子Mn,Fe,Co,Ni分别在第一(0,1),第二(0,2)和第三(0,3)近邻阳离子处掺杂的WS2体系,除了两个Ni原子在(0,1),(0,2)和(0,3)处掺杂的体系分别是AFM,FM,FM金属,其他体系都是FM铁磁体。此外,Mn,Fe,Co,Ni(除了(0,1)掺杂)替换同一位置体系的总磁矩依次增加,且同一种TM原子在(0,1),(0,2)和(0,3)处双掺杂单层WS2体系的总磁矩也依次增加。接下来,我们系统地研究了Mn-X(X=B,C,N,O,F,Cl,Br,I,At)共掺杂的单层WS2体系的几何结构、电子特性、磁特性和光学特性。结果表明,与未掺杂单层WS2对比,Mn-B,Mn-N,Mn-F,Mn-Cl,Mn-I 和 Mn-At 共掺杂的单层 WS2 体系仍保持非磁性半导体特性,且分别具有较小带隙1.094,0.839,0.667、0.578、0.558和0.564 eV,而Mn-C和Mn-O共掺杂的单层WS2体系变为总磁矩为1μB的磁性半导体,自旋向上(自旋向下)带隙分别为0.541(1.168)和0.608(1.436)eV,Mn掺杂和Mn-Br共掺杂单层WS2体系变成总磁矩Mtot分别为1和-2 μB的HM铁磁体,对应的自旋向下或自旋向下带隙分别为1.262和1.321 eV,因此可用于自旋电子学器件。计算的结合能都是正值,表明所研究的Mn-X共掺杂的单层WS2体系一旦形成就不容易分解,Mn-F共掺杂单层WS2体系的结合能最高,表明Mn-F共掺杂单层WS2体系是最稳定的。此外,Mn掺杂单层WS2体系在本文所计算的体系中具有最高的静态介电常数ε1(0)和ε2(0)、反射率r(0)、折射率n(0)和消光系数k(0)。反射率r(ω)和消光系数k(ω)在2.5~7.5 eV能量区间均出现出振荡行为。通过观察吸收系数a(ω),我们发现未掺杂单层WS2体系在低能区具有较高的透明度,且在6~9.5 eV具有最大的吸收峰适用于制作近紫外(6-9.5eV)光电探测器,而Mn掺杂和Mn-X(X=B,C,N,O,F,Cl,Br,I,At)共掺杂单层WS2体系由于出现红移现象更适合于制作红外探测器。
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