二维CoPX3(X=S,Se)半导体磁性和电学性质的理论研究

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二维过渡金属磷硫化合物CoPX3(X=S,Se),作为一种低维磁性半导体材料,其独特的平面结构、性能以及潜在的器件应用价值,使得它们有望在未来成为自旋电子器件的重要组成部分。由于磁涨落效应和电子自旋的稳定性会随维数的降低而增大,因此在正常的环境条件下,该材料具有良好的稳定性。基于密度泛函理论(DFT)和蒙特卡洛模拟(MCs),本文主要研究了二维CoPS3和CoPSe3的基态结构、电子结构、磁学性质以及空位缺陷和分子吸附对其性质的影响。首先,DFT计算结果表明三维CoPX3的基态都是AFM相,其中CoPS3的空间群为C2/m(堆叠方式为“AAA”),而CoPSe3的空间群则为R(?)(堆叠方式为“ABC”)。此外,三维CoPS3和CoPSe3的剥离能分别为Ecl=0.19 J/m~2和Ecl=0.28 J/m~2,都小于石墨烯的0.36 J/m~2,说明通过剥离技术可以制备出二维CoPX3薄膜。其次,基于DFT和MCs,计算结果表明二维CoPS3和CoPSe3的基态分别为n AFM和z AFM相。为了得到合理的N(?)el温度(TN),我们考虑第一近邻、次近邻和第三近邻磁耦合作用。MCs结果显示CoPS3和CoPSe3的TN分别为171K和98 K,这与三维的结果略有差异,证实了内层磁耦合作用是存在的。随着缺陷形成能(Ef)的增大,二维CoPX3缺陷系统的禁带宽度逐渐减小。更重要的是,二维CoPX3VX2@1L缺陷系统在费米能级(EF)附近出现一个缺陷态,解释了缺陷态的出现与S/Se、P和Co原子都有关系,是它们共同作用的结果。针对光学性质,二维CoPSe3比CoPS3具有更强的光吸收效率,这一点在基本光学范围内得到了证实。然而,二维CoPS3VS2@1L和CoPSe3VSe2@1L缺陷系统在1.0 e V和0.8 e V能量附近存在缺陷峰,使得光吸收频谱利用率有所增大。最后,我们的计算结果表明NO中的N(p)轨道更容易与二维CoPX3缺陷系统中的Co(3d)和S/Se(p)发生杂化,使得NO的吸附能(Eads)远大于CO的吸附能,即吸附CO为物理吸附,而吸附NO为非物理吸附。通过对比,吸附能越大的缺陷系统对二维CoPX3的电子结构和磁性影响越大,尤其是在价带顶和导带底附近。总的来说,理论研究二维CoPX3(X=S,Se)的各种理化性质,将丰富二维磁性半导体材料在自旋电子学中的应用。
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