二维WS2电子结构和磁性的第一性原理研究.pdf

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1、FIRST．PRINCIPLESTUDYOFTH匝ELECTRoNICSTRUCTURESANDT耻MAGNETISMOFTWO—DIMENSIONALWS2ADissertationSubmittedtotheGraduateSchoolofHenanNormalUniversityinPartialFulfillmentoftheRequirementsfortheDegreeofMasterofScienceBySupervisor：Prof．DaiXianqiAprial，2014摘要本文应用基于密度泛函理论的第一性原理ViennaAb．initioSimulationPackage

2、(VASP)程序包，采用超级原胞模型，系统研究了调控过渡金属硫族化合物WS2电子结构和磁性，得到了一些较有意义的结果。具体研究内容包括：1、WS2电子结构的调控研究了厚度、应变和掺杂对过渡金属硫族化合物WS2电子结构的影响。计算结果表明，wS2体材料为间接带隙半导体，随着厚度的减小，WS2带隙宽度逐渐增大，并且在厚度为单原子层时，体系能带结构变为直接带隙。对单层WS2施加双轴拉伸应变作用，其能带结构由直接带隙变为间接带隙，并且随着应变的增大，禁带宽度不断减小，体系保持间接带隙，当应变达到21％时，禁带宽度消失，体系由半导体转变为金属。对单层wS2施加双轴压缩应变作用，和施加拉伸应变时类似，其

3、能带结构由直接带隙变为间接带隙，并且随着应变的增大，禁带宽度不断减小，体系保持间接带隙，当应变达到16％时，禁带宽度消失，体系由半导体转变为金属。由此可以看出对单层WS2施加双轴压缩应变比施加双轴拉伸应变对其能带结构的调控更有效。在单层WSz中分别掺杂Cr和Mo两种W的同主族元素原子，发现在掺杂Mo原子后其能带结构与未掺杂时非常相似，都为直接带隙，且禁带宽度相差很小，而Cr掺杂的WS2能带结构随着掺杂浓度的增加由直接带隙变为了间接带隙，并且带隙宽度不断减小，通过分析我们得出这是由于掺杂Cr后的单层WS2产生了应力，从而导致能带结构的变化。2、Cr、Co原子掺杂对WS2磁性的影响研究了Cr、C

4、o原子掺杂单层WS2体系的磁性变化。计算结果表明，Cr掺杂的WS2和未掺杂的WS2没有磁矩，其自旋向上和自旋向下的态密度都是对称的，因此不具有磁性，而Co掺杂的WS2产生了磁矩，并且磁矩主要是由Co原子提供的，其自旋向上和自旋向下的态密度明显失去对称性，导带底处产生了杂质能级，价带顶处自旋向上的态密度仍处于费米能级以下，自旋向下的态密度越过了费米能级，并且Co原子的3d轨道、S原子的3p轨道和W原子的5d轨道电子间形成强烈的耦合作用，体系具有磁性。单层WS2在掺杂Co原子后在室温下具有较好的铁磁性，是制造电子自旋器件的理想的稀磁半导体材料。研究结果为实验和应用提供了理论基础。关键词：二维材料

5、，过渡金属硫族化合物，WS2，电子结构，磁性，应变，掺杂，厚度，第一性原理IIABSTRACTInthispaper,usingViennaAb-initioSimulationPackage(VASP)basedondensityfunctionaltheory(DFT)withthesupercellapproach，wehaveperformedacomprehensivestudyoftheelectronicandmagneticpropertiesoftransition-metaldichalcogenideWS2andsomeinterestingresultshavebee

6、nobtained．Ourworkinclude：1．TunableelectronicstructuresinWS2Wecarryoutaninvestigationtoexploretheeffectsofthickness，strainanddopingontheelectronicpropertiesoftransition—metaldichalcogenideWS2．OurresultsindicatethatthebandgapofWS2increaseswiththedecreaseofthickness．Whenthenumberoflayersreducestoasing

7、lelayertheindirectgapofbulkbecomesadirectgap．ThedirectgapofmonolayerWS2becomesaindirectgapunderthetensilebiaxialstrainsandthemonolayerWS2retainsitsindirectbandgapwithincreasingstrains．Thefundamentalbandgapo