应力和掺杂对单层WSe2电子结构和磁性的影响

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近年来,二维过渡金属硫化物(如MoS2、MoSe2、WS2、WSe2等)由于其独特的光学和电学性质,被广泛的研究,得到了迅速发展。层状半导体过渡金属硫化物已被证明是在低成本薄膜太阳能电池中用作吸收层的重要备选物。由于过渡金属硫化物的层状性质和层层之间范德瓦尔斯力使得这类材料非常容易地剥离从而形成薄层,该薄层是具有带隙的类石墨烯材料,并且可能在柔性电子和光电子方面进行应用。二硒化钨是层状半导体过渡金属硫化物大家族的一员,也已经在很多方面被广泛的研究,如晶体管、润滑剂、电化学太阳能电池和其它方向,二硒化钨材料已经被预言为未来电子和光电器件比较有潜力的候选者。二硒化钨将是研究自旋和空穴相关性质以及自旋电子学应用的理想材料。为了促进WSe2材料在自旋电子学和电学等方面的应用,需要对材料的电子结构和磁性进行有效的调制。本文主要基于密度泛函理论的第一性原理,平面波赝势方法,研究应力与V和VII族元素掺杂对单层WSe2薄膜的电子结构和磁性的影响,主要内容和数值结果如下:(1)对于V和VII族元素掺杂单层WSe2薄膜的电子结构和磁性研究,计算结果表明,当N、P、As原子掺杂时,费米能级下移至价带顶,显示出是p型掺杂,而F、Cl、Br和I原子引入材料时费米能级上移,上移至导带底显示为n型掺杂。在引入N、P、F、Br、I原子时可以诱导产生磁矩,而磁性主要来源于掺杂物的p轨道和邻近钨原子的d轨道。其中F原子掺杂体系的最大磁矩为0.846μB。N、P、F(或Br原子)原子掺杂WSe2时材料变为磁性半导体材料(或磁性金属)的特性。Cl和As原子掺杂到体系后体系表现出非磁性金属的性质。而I原子掺杂时体系表现出半金属性质。通过形成能的计算结果也表明材料在富含钨的实验条件下的形成能比在富硒的条件下更低。在含钨的实验条件下,V族和VII族原子更容易掺杂。氟原子掺杂体系的形成能最低,N原子掺杂体系形成能在形成能为正值中最低。这些结果为相关的实验研究和应用提供可靠的理论指导和参考。(2)对于双轴应变对单层WSe2薄膜的电子结构的影响研究,计算结果表明当我们施加拉伸应变时,随着应变(1%13%)的增加能带结构一直保持直接带隙特点,带隙宽度随应变的增加持续减小当应变等于或大于13%时,带隙宽度变为0,单层WSe2从半导体转变为金属。当我们对单层WSe2施加-1%的双轴压缩应变时,WSe2的能带由直接带隙变成了间接带隙,并且随着应变的继续增加,能带结构也一直保持间接带隙特点,带隙宽度随应变的增加持续减小,当压缩应变达到-7%时,带隙宽度变为0,单层WSe2从半导体转变为金属。结果表明:1、拉伸和压缩应力都能使体系带隙变小。2、通过比较,我们发现在-5%到5%的应力范围内,拉伸应变对单层WSe2薄膜能带结构的调控更有效。但是在压缩应力下,应力从-6%变到-7%时,带隙迅速变为0。然而拉伸应力从5%变到13%过程中,带隙是慢慢的减小。3、通过对WSe2单层的投影电荷密度和Se原子层与W原子层的间距的分析,可知由于W原子的d轨道和Se原子的p轨道之间形成类似于π键对应变的敏感程度很高,所以导致应变对其材料能带结构的影响比较大。
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