摻雜：二維半導體到半金屬的轉變

胡藍之

摘? 要：近幾年，人們突破了對半金屬塊體材料研究的局限性。作為二維材料原型的石墨烯的發現，得力于其不同的結構和物理性能在材料學能夠廣泛應用。截止目前，二維材料已經囊括了半導體、半金屬、金屬和拓撲絕緣體等。但固有二維半金屬材料種類少、不穩定，導致研究的局限性，所以用新方法尋求穩定的半金屬材料非常必要。文章描述了通過摻雜半導體單層結構獲得了新型半金屬材料的理論，說明二維無磁半導體在自旋電子學中的潛在價值。

關鍵詞：半金屬;摻雜;半導體;二維材料

中圖分類號：O572? ? ? ? ?文獻標志碼：A? ? ? ? ?文章編號：2095-2945（2020）04-0043-02

Abstract： In recent years， people have broken through the limitations of research on half-metal bulk materials. The discovery of graphene as a prototype of two-dimensional materials， thanks to its different structure and physical properties， can be widely used in materials science. So far， two-dimensional materials have included semiconductors， half-metals， metals， and topological insulators. However， the inherently two-dimensional half-metallic materials have few types and are unstable， which leads to the limitation of research. Therefore， it is necessary to use new methods to find stable half-metallic materials. This paper describes the theory of novel half-metal materials obtained by doping a semiconductor single-layer structure， illustrating the potential value of two-dimensional non-magnetic semiconductors in spin electronics.

Keywords： half-metal; doping; semiconductor; two-dimensional material

引言

近二十年以來，自旋電子學的快速發展推動了信息技術領域不斷革新，而自旋電子學器件作為科學研究的熱點，在國際上受到廣泛關注。與傳統的電子學器件相比較，自旋電子學器件具有很大的優勢，如運行能耗低、產生熱量少、信息處理快和數據儲存能力與集成度高的特點。自旋電子學器件以其獨有的優勢很好地滿足了科學發展的需求，但是在實際應用材料的選取上有著較高的要求。理論研究表明，自旋電子學器件的性能好壞與自旋極化率有著密切聯系，自旋極化率即在費米能級附近存在的自旋向上和自旋向下電子數目不平衡的百分比， 且比率越高越有價值。半金屬材料恰好有特殊的能帶結構，使其自旋極化電子在費米面處具有100%的自旋極化率，可以高效地將不同特征的電子注入到半導體中，實現自旋運輸; 并且其還具有高的居里溫度、大的磁矩等磁性特征，因此在磁隧道結、自旋閥等領域有著廣泛的應用。以往對自旋電子學器件材料的選擇都局限在塊體半金屬，隨著自旋電子學的發展，高性能小型化的器件成為人們開發的對象，為二維材料的研究打開了一條通道。二維材料是指只有原子級厚度或者幾個原子層厚的材料，近年來，二維平面結構的石墨烯，以其獨特的分子結構和優異的物理性能成為材料學、電子信息等領域的研究熱點。受石墨烯的啟示，實驗相繼合成了越來越多的類石墨烯材料，如硅烯、過渡金屬二硫化物等。這些材料表現出與塊體材料截然不同的現象和性質，吸引了各界科學家的廣泛關注。

然而，上述二維材料大多是無磁或者稀磁的，制備納米自旋電子學器件的實踐也因此受到巨大的挑戰。本身為半金屬性的層狀材料大多不穩定且數量少，最近幾年大量的理論和實驗研究表明，可以通過吸附、摻雜和引入缺陷等來調控磁性。本文主要是通過理論分析說明了摻雜二維半導體材料的方法，可以得到穩定性良好的半金屬材料。

1 研究方法

本文采用密度泛函理論（DFT）的第一性原理計算方法，研究得到的所有結果都是在高性能計算機利用Linux系統運行Vienna Ab-inito Simulation Package（VASP）程序得到的。在整個計算過程中，我們利用廣義梯度（GGA）近似的方法與贗勢平面波法（PAW）將價電子從核中分離出來，來描述其相互作用。為了說明體系的電子結構特性，我們使用8X8X1的K點網格，平面波截斷能的設置以VASP 手冊中提供的方法為標準，即不同元素贗勢庫中截斷能的最大值的1.2至2.0倍，電子能量最小值取10-7。對于二維材料的研究，我們在周期圖像之間添加了一個15埃的真空區域。

2 結果分析

通過二維半導體摻雜得到了穩定的半金屬材料，與原本是半金屬的材料相比較，摻雜得到的半金屬材料保留了半導體材料的穩定性，使其能夠在自旋電子學器發揮更大的價值。為了驗證這種方法，我們以Cr摻雜單層CdSe材料為例，在圖1的DOS圖中我們可以看到，選擇費米能級為能量零點，自旋極化電子產生的態密度曲線在費米能級處存在明顯的帶隙，表明CdSe單層結構是半導體材料。

通過擴胞摻雜之后作出了摻雜體系的DOS圖，如圖2所示，可以看到一個自旋方向的態密度曲線穿過了費米面，呈現出金屬性;另一個自旋方向的態密度曲線在費米面存在明顯的帶隙，表現出半導體的性質，說明摻雜之后的CdSe是典型的半金屬材料。除此之外，很多近年發表的文章也用摻雜的方法利用二維半導體得到了半金屬材料。

3 結論

綜上所述，我們利用自旋極化密度泛函理論第一性原理研究了半導體單層結構摻雜體系的電子結構，并且重點研究了不同摻雜構型的半金屬性。研究結果表明，通過摻雜可以使原本沒有磁性的半導體誘導出來磁性，并表現出來明顯半金屬性。我們的這項工作確定了新的半金屬材料，突破了二維固有半金屬性材料的局限性，這將成為尋找制作自旋電子學器件材料的一個新的來源。

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