用鸿之微Nanodcal软件研究单层MA2Z4电子结构和输运特性

 

 

0 1 引言   在具有内禀反演对称性破缺的二维(2D)材料中，电子除了具有电荷与自旋自 由度以外，还具有位于第一布里渊区不等价 K 谷的能谷自由度。由于内禀的空间反演破缺和强烈的自旋轨道耦合效应，K 和 K’谷展现出谷相关特性，例如奇异的贝里曲率、轨道磁矩和圆偏光二色性等。这意味着这些材料中的谷极化可以通过磁性和光学手段有效地产生和控制。除了谷极化的产生之外，谷极化电流在实空间中的传输以及利用谷指数作为信息载体是实现谷电子器件的先决条件。因此，探索具有谷特性的材料和控制谷器件中的谷极化电流是发展谷电子学的两个重要方向。

最初，几种2D材料的谷特性已经从理论上研究并在实验上发现，例如石墨烯和过渡金属硫族化合物(TMD)。TMD为研究自旋谷耦合和谷极化提供了理想的平台。导带底和价带顶位于六边形布里渊区拐角处的不等价谷处。由于保留的时间反转对称性，带边缘附近的自旋和谷是密切耦合的，使研究人员能够控制自旋和谷。一旦2D材料具有谷特征，谷极化可以通过遵循谷耦合光学选择定则的圆偏振光来实现。最近实验上通过化学气相沉积法合成了二维半导体 MoSi2N4。单层 MoSi2N4 具有良好的稳定性和较高载流子迁移率。此外，单层 MoSi2N4、MoSi2P4、MoSi2As4 和 WSi2P4 具有自旋谷耦合特性。由于谷指数是倒数空间中的一个概念，与谷极化相关的量子信息如何从倒易空间转移到实空间是面临的挑战。因此，在实空间的单层 MA2Z4 器件中产生和传递谷极化电流是在谷电子器件中利用谷自由度作为信息载体的先决条件。

0 2 成果简介 本项目采用鸿之微的Nanodcal软件，基于密度泛函理论结合非平衡态格林函数方法，研究了 MA2Z4 家族的谷物理特性，并通过搭建谷-光电晶体管实现谷极化电流的产生和输运。计算结果表明， MoSi2P4，MoSi2As4，WSi2P4，WSi2As4，WGe2P4 和 WGe2As4 六个 MA2Z4 家族成员是具有直接带隙半导体，导带底和价带位于两个不等价的 K 和 K’点。这些谷态主要来自 MZ2 三层，并且由褶皱的 AZ 层的保护而免受干扰态的影响。此外，由于反演对称性破缺和强自旋轨道的存在，VBM 附近能谷产生显著的自旋劈裂。直接带隙（0.15-0.62eV）小于单层 TMD，位于红外区域。因此圆偏振红外光的泵浦可以在单层 MA2Z4 中引起谷极化，并能够在微小横向偏压下产生和输运谷极化和自旋极化电流。在右旋圆偏振光的泵浦下，K 谷产生的光电流远大于 K’谷的光电流，表现出接近 100%的谷极化效率。因此，单层 MA2Z4 为谷自由度的研究提供了良好的平台，推动了谷基电子和光电器件的发展。 0 3 图文导读    

图 1  优化后的 MA2Z4 晶体结构示意图：（a）俯视图（b）侧视图，蓝色，红色和绿色的小球分别代表 M、A 和 Z 原子，其中（M = Mo 和 W；A = C、Si 和 Ge；Z=N、P 和 As）。该结构可以被视为 MZ2 三层原子（类似于 1H 相 MoS2）嵌套在两层褶皱 AZ 层内。

图 2 （a）MoSi2P4、（b）MoSi2As4、（c）WSi2P4、（d）WSi2As4、（e）WGe2P4 和（f） WGe2As4 的自旋投影带，计算的 18 个体系中有六个体系是直接带隙半导体。红色（蓝色）曲线代表自旋向下（自旋向上）分量的强度。

图4（a）单层MA2Z4器件示意图，（b）谷极化电流产生示意图：圆偏振光激发K 谷的电子，在导带位置产生一个光电子，在横向偏压下作用下电子迁移到漏极， 价带位置余留一个空穴，源极电子会自动填充，从而形成电流（c）归一化电流的谷分量，（d）谷极化率，（e）归一化的自旋向上和向下的电流， (f) 自旋极化率。

图 5 单层 MoSi2P4、MoSi2As4、WSi2P4、WSi2As4、WGe2P4 和 WGe2As4 器件在0.1 V偏压下的 (a) 归一化电流的谷分量 (b) 谷极化率(c) 归一化电流的自旋分量和 (d)自旋极化率

0 4 小结 本文使用鸿之微Nanodcal 软件，研究了单层MA2Z4 的电子结构和输运特性。具有自旋谷耦合的二维材料遵循光学选择定则，因而能够选择性地吸收圆偏振光。计算结果表明单层 MA2Z4（M = Mo 和 W；A = C、Si 和 Ge；Z=N、P 和As）家族的六个材料是直接带隙半导体，其谷态主要分布在中间三层原子，被两侧褶皱原子保护。使用红外圆偏振光可以选择性地激发能谷以实现带间跃迁。搭建的谷电子器件在横向偏压和圆偏振红外光的作用下产生接近 100%的谷极化和自旋极化电流，可用于编码、处理和存储信息。我们的研究实现了将谷相关的量子信息从倒易空间转换到实空间，促进了谷电子学的发展与应用。

　　

      审核编辑：彭静