氯吸附单层黑磷烯的自旋输运性质研究

0 1 引言   黑磷是一种拥有巨大应用潜力的新型二维材料，它由磷原子褶皱型排列结合而成，面内存在强的力学、电学和光学各向异性。此外黑磷还有高的载流子迁移率和层数可调的直接带隙。以上这些优点使黑磷在电子学器件和光子学器件中受到广泛地研究。虽然黑磷没有磁性，但是可以通过磁化工程使其产生磁性。其中黑磷通过吸附卤素原子来引入磁性被广泛研究。科研者们通过吸附卤素原子调节黑磷的物理化学性质，扩大了黑磷的应用方向。在氯修饰的磷烯系统中，由于卤素和磷原子之间的电子转移，该系统将成为磁性半导体，在费米能级的两侧分别出现自旋向上和自旋向下的输运通道。用卤素原子功能化的黑磷烯是自旋注入到自旋电子学中的一种很好的方式，因此研究这些体系的自旋输运性质具有重要意义。   0 2 成果简介  

本项目通过密度泛函理论结合非平衡格林函数方法研究了Cl原子吸附黑磷的自旋输运性质，拓展了卤素原子吸附黑磷的研究。研究结果表明由于Cl原子的吸附，黑磷的带隙从1.3 eV的直接带隙变为0.26 eV的间接带隙。并且Cl原子和P原子之间发生了电荷转移，体系产生了局域磁性。其中Cl原子的原子磁矩为0.2 ，最靠近Cl原子的P3原子和P2原子的原子磁矩分别为0.14  和0.12 。此外，Cl原子吸附黑磷的费米能级附近出现两条对称的自旋通道。这些计算结果都证明Cl原子吸附的黑磷是一类值得深入探讨的二维磁性材料。于是基于Cl原子吸附黑磷设计了光电器件和热电器件并研究了其输运性质。研究结果发现在特殊的偏振光照射情况下，器件可以产生纯自旋流。如果把势垒层换成黑磷，在0°、90°和180°偏振角的偏振光的照射下，APC构型的器件产生了稳定的纯自旋流。对于热电器件，势垒层的黑磷长度对其自旋流有很大的影响。随着黑磷长度的增加，器件的透射系数逐渐降低，且自旋向下透射系数的下降速度比自旋向上透射系数的下降速度快。在某个黑磷长度下，两者所包含的面积相同，器件产生没有电荷流伴随的纯自旋流。

上述研究结果表明Cl原子吸附的黑磷是一种值得深入探讨的二维磁性材料，其在二维自旋电子学器件中具有广阔的应用前景。

0 3 图文导读   为保持器件的镜面对称性，光电器件的输运方向是锯齿（zigzag）方向，而热电器件的输运方向是扶手椅（armchair）方向。

图1 Cl原子吸附黑磷/黑磷/ Cl原子吸附黑磷光电器件的（a）俯视图和（b）侧视图。

图2 PC和APC构型下，1.3 eV 光子能量下的光电流。

图3（a）APC构型下器件在0°和90°偏振角下的光致自旋流、（b）1.8 eV 光子能量下的光电流。

图4 两种热电器件结构示意图：（a）type1和（b）type2。

图5（a）type2和（b）type3器件的热自旋流Is和热电荷流Ith。

0 4 小结   二维磁性材料为自旋电子学器件提供了一个新的平台。二维磁性材料因其本身独特性质，又能与其它二维材料任意垂直堆叠，引起了研究者们的广泛关注。本项目采用鸿之微的Nanodcal软件研究了Cl原子吸附的黑磷在光照和温度梯度下的输运性质。结果表明，黑磷由于Cl 原子的吸附产生了局域磁矩。在光电器件的输运研究中，特殊的光子能量和偏振角度下的线性偏振光可以产生纯自旋流。并且把势垒层换为黑磷后，可以在两端电极磁态反平行时，在0°、90°和180°偏振角的偏振光的照射下得到纯自旋流。在热电器件的输运研究中，发现温度梯度可以在器件中产生自旋流，并且通过调整势垒层中黑磷的长度可得到纯自旋流。

审核编辑 ：李倩