自旋极化和带隙可调的铋基硫属化合物层状材料

技术领域

本发明涉及半导体技术领域，尤其涉及一种利用自旋轨道耦合效应调控带隙和自旋极化率的铋基硫属化合物层状材料结构。

背景技术

VA族二维半导体材料兼具超薄、柔性、高透明、极高的载流子迁移率等特点，是构建未来高性能纳米电子器件的核心材料之一。为了提高VA族单层晶体制备的可行性，人们相继开发出砷烯、锑烯和铋烯，通过机械剥离、液相剥离、等离子体辅助工艺、液相沉积技术等方法充分验证了它们的高稳定性。自旋轨道耦合效应的本质是外电场对运动自旋磁矩的作用。强自旋轨道耦合效应广泛存在于VA族二维材料中，尤其是锑烯和铋烯，导致材料中出现包括量子反常霍尔效应在内的丰富多彩的量子现象，对未来低能耗电子学、拓扑量子计算和清洁能源等技术的发展具有重大的推动作用。

为了赋予VA族二维材料优异的电学性能，国内外课题组通过在材料表面修饰不同原子，利用自旋轨道耦合效应实现了VA族二维材料由半导体性向拓扑非平庸性转变。尽管研究充分表明表面修饰原子能显著调控能带结构，但迄今为止通过自旋轨道耦合效应在铋基硫属化合物层状材料中引入电子自旋极化的研究尚属空白。基于电子自旋极化的纳米器件能够大大提高信息处理速度和存储密度，而且具有非易失性，低能耗等优点。因此为了满足特定的自旋电子器件性能需求，调控铋基硫属化合物层状材料的电子自旋极化变得尤其重要，是其应用于新一代自旋电子器件的基础。

在调控铋基硫属化合物层状材料带隙的同时，利用自旋轨道耦合效应引入自旋极化是本领域技术人员期望克服的。

发明内容

为了解决现有技术的上述问题，本发明提供一种兼具宽带隙和强自旋极化率的铋基硫属化合物层状材料结构，利用自旋轨道耦合效应解决现有技术无法同时获得宽带隙和强自旋极化率的要求。

本发明是这样实现的：

一种自旋极化和带隙可调的铋基硫属化合物层状材料，其特征在于，所述的材料包括顶层原子层、中间原子层、底层原子层；所述的顶层原子层中每个向顶层突出的铋原子沿垂直于中间原子层方向上连接一个硫属原子；所述的中间原子层由铋原子共价连接的椅式六元环重复连接组成，属六方晶系；所述的底层原子层中每个向底层突出的铋原子沿垂直于中间原子层方向上连接一个硫属原子；其中顶层原子层、底层原子层的硫属原子呈现交错平行的方式修饰在中间原子层的铋原子层上。

本发明的层状材料，包括中间铋原子层，顶层和底层硫属原子层。其中，根据中间铋原子层上下表面，即顶层和底层修饰硫属原子是否相同，将铋基硫属化合物分为两种：一种是铋原子层上下表面均修饰相同硫属原子的Bi

进一步，所述的材料中，在铋原子层的上下表面分别修饰氧原子和碲原子形成Bi

进一步，所述的材料中，在铋原子层的上下表面分别修饰氧原子和硫原子形成Bi

进一步，所述的材料中，在铋原子层的上下表面分别修饰氧原子和硒原子形成Bi

进一步，所述的材料中，在铋原子层的上下表面分别修饰硫原子和硒原子形成Bi

进一步，所述的材料中，在铋原子层的上下表面分别修饰硫原子和碲原子形成Bi

进一步，所述的材料中，在铋原子层的上下表面分别修饰硒原子和碲原子形成Bi

进一步，所述的材料中，在铋原子层的上下表面均修饰氧原子形成Bi

或者在所述的材料中，在铋原子层的上下表面均修饰硫原子形成Bi

进一步，所述的材料中，在铋原子层的上下表面均修饰硒原子形成Bi

或者在所述的材料中，在铋原子层的上下表面均修饰碲原子形成Bi

在铋原子层上下表面修饰硫属原子的层状材料，其特征在于，硫属原子的种类和在铋原子层上的分布位置决定铋基硫属化合物层状材料的吸收光强度和吸收光波长；具体的方法为：

步骤一、建立铋原子上下表面均修饰相同硫属原子(包括O、S、Se、Te)的Bi

步骤二、建立铋原子上下表面修饰不同硫属原子(包括O、S、Se、Te)的Bi

步骤三、计算各种铋基硫属化合物层状材料的光吸收谱：采用PBE-GGA泛函，利用密度泛函理论方法，计算得到各种铋基硫属化合物层状材料在200～50000nm波长范围，即深紫外到深红外光谱范围内的光吸收系数。

本发明与现有技术相比的有益效果在于：

本发明提供的在铋原子层表面修饰不同硫属原子的铋基硫属化合物层状材料，通过改变修饰硫属原子种类和在铋原子层上下表面的排布方式，结构的镜面不对称导致材料存在本征内建电场，将Rashba自旋轨道耦合效应引入材料，实现不同程度的自旋极化现象。与此同时，材料的带隙也随着硫属原子种类和在铋原子层上下表面的排布方式的改变实现可控调节，在光激励作用下，材料表面的电子和空穴有效分离，实现材料在紫外到红外光区的光电转换。与传统无自旋极化效应的材料相比，自旋极化效应将极大地提高铋基硫属化合物层状材料纳米光电器件的器件性能，并显著降低其工作能耗。

附图说明

图1为本发明实施例1中提供的铋原子层的上下表面均修饰氧原子形成Bi

图2为本发明实施例二中提供的铋原子层的上下表面均修饰硫原子形成Bi

图3为本发明实施例三中提供的铋原子层的上下表面均修饰硒原子形成Bi

图4为本发明实施例4中提供的铋原子层的上下表面均修饰碲原子形成Bi

图5为本发明实施例5中提供的铋原子层的上下表面分别修饰氧原子和硫原子形成Bi

图6为本发明实施例六中提供的铋原子层的上下表面分别修饰氧原子和硒原子形成Bi

图7为本发明实施例7中提供的铋原子层的上下表面分别修饰氧原子和碲原子形成Bi

图8为本发明实施例8中提供的铋原子层的上下表面分别修饰硫原子和硒原子形成Bi

图9为本发明实施例9中提供的铋原子层的上下表面分别修饰硫原子和碲原子形成Bi

图10为本发明实施例10中提供的铋原子层的上下表面分别修饰硒原子和碲原子形成Bi

图11为本发明实施例1至四中对比改变铋原子层上下表面修饰相同种类硫属原子形成高对称Bi

图12为本发明实施例5至十中对比改变铋原子层上下表面修饰不同种类硫属原子形成镜面对称性被破坏的Bi

图13为本发明实施例5至十中改变铋原子层上下表面修饰不同种类硫属原子形成镜面不对称的Bi

图14为本发明实施例1至四中改变铋原子层上下表面修饰相同种类硫属原子形成高对称Bi

图15为本发明实施例5至十中改变铋原子层上下表面修饰不同种类硫属原子形成镜面不对称的Bi

附图标记说明：

1：铋原子层，由铋原子相互共价连接的六元环在二维方向上重复延伸形成，亦称铋烯。

2：在Bi

3：在Bi

4：在Bi

5：在Bi

6：在Bi

7：在Bi

8：在Bi

9：在Bi

10：在Bi

11：在Bi

12：在Bi

13：在Bi

14：在Bi

15：在Bi

16：在Bi

17：在Bi

18：在Bi

19：在Bi

20：在Bi

21：在Bi

具体实施方式

为了更好的解释本发明，以便于理解，下面结合附图，通过具体实施方式，对本发明作详细描述。本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本发明。本文所使用的术语“和/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。

图1～4为铋原子层上下表面均修饰相同种类硫属原子形成的高对称性Bi

图5～10为铋原子层上下表面修饰不同种类硫属原子形成的镜面对称性被破坏的Bi

如图11所示，高对称性Bi

如图12所示，镜面对称性被破坏的Bi

在图12的能带结构中，Bi

以下结合实施例5至实施例10对图13的自旋极化率进行详细介绍：

实施例5为Bi

随着铋原子下层修饰硫属原子由硫原子改变为实施例6中的硒原子直至实施例7中的碲原子，其与上表面氧原子之间的电负性差异越来越大，结构的非对称性也越来越强，因此上下自旋能级裂分逐渐显著，自旋极化率逐渐增大到Bi

当铋原子上层修饰硫属原子由氧原子转变为硫原子，下层修饰原子分别为硒原子和碲原子，即实施例8中的Bi

作为优选方案，自旋极化率最高的修饰硫属原子种类通过理论计算方法确定。与传统的实验尝试方法相比，理论计算方法操作方便，省时省力，是本发明的优势。最佳硫属原子种类的具体确定步骤如下：

(1)建立铋原子上下表面修饰相同硫属原子的Bi

(2)建立铋原子上下表面分别修饰不同种类硫属原子的Bi

(3)根据自旋极化率选择最佳的修饰硫属原子种类。

以上结构优化和电子结构计算都是采用QuantumATK程序包，晶胞结构优化的k点采用14×14×1，所有的物理量都是k点的函数，所以要想计算一个物理量，需要对k点求平均，原则上k点需要取无穷多个才能计算准确，但是，考虑到数值计算时间和精度的容忍度，本发明选择有限的k点来近似计算这些物理量。在结构优化和电子结构计算过程中，所有的晶胞结构都考虑了轨道自旋耦合效应。

图14为铋原子层上下表面均修饰相同种类硫属原子形成Bi

图15为铋原子层上下表面修饰不同种类硫属原子形成Bi

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进，这些改进也应视为本发明的保护范围。