二维MA2Z4型能谷材料的第一性原理研究.pdf

摘要

利用谷操纵处理信息是当前谷自旋信息学和物理电子学研究的热点问题。多组元MAZ

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型二维能谷材料以其优异的谷自旋性质日益成为谷自旋电子学研究的“明星”材料，受到众

多实验和理论工作者的追捧。本论文基于第一性原理计算，研究了二维MAZ(M为VIB族

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和IVB族的过渡金属元素，A为C元素所在的IVA族，Z为N元素所在的VA族)型能谷材

料的结构和特性，从理论上为谷电子器件的制备提供候选材料。

首先，我们计算了二维MoGeP材料的谷电子性质、光学性质，并且研究了双轴应变对

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材料性质的调控。二维MoGeP具有7个原子层，在结构上存在反转对称性破缺。由于自旋

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轨道耦合效应，导致该材料产生的谷自旋劈裂值偏大，为153meV，而这有利于对能谷的实

际操作。同时，二维MoGeP材料是直接带隙半导体，因此非常适用于光电器件的制备。通

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过施加双轴应变，该材料会发生半导体-金属转变。此外，二维MoGeP在K和K’具有贝里

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曲率，其余点处为零。

此外，为系统研究MAZ型能谷材料的性能，我们计算了同主族的二维JanusMSiGeZ

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(M=Cr，W；Z=N，P，As)的谷电子性质。WSiGeZ4(Z=N，P，As)的谷自旋劈裂值超过

400meV，大于大多数谷电子材料的谷自旋劈裂值。二维WSiGeZ(Z=N，P，As)材料的动

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力学及力学特性均稳定，同时，该材料具有丰富的电子特性。其中，WSiGeN4是一种带隙为

1.654eV的间接带隙半导体材料，而WSiGeP4则是一种直接带隙半导体。WSiGeZ4的谷自旋

劈裂值比CrSiGeZ4的要大300多meV，原因在于，W原子比Cr原子有更多的d轨道电子，

其自旋轨道耦合效应更强。本工作使用Janus对称性结构，破坏中心反演对称性，提高了材

料的贝里曲率。

最后，我们探索了IVB族中，具有环状贝里曲率的二维MSiN(M=Ti，Zr，Hf)材料。

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该结构与二维WSiGeZ类似，同样具有稳定的动力学和力学特性。二维MSiN(M=Ti，Zr，

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Hf)材料都是间接带隙半导体材料，三者带隙分别是1.64eV、1.65eV、1.80eV。另外，对称

性破缺和自旋轨道耦合导致了二维MSiN(M=Ti，Zr，Hf)产生谷自旋劈裂值。和WSiGeZ

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(Z=N，P，