拓扑绝缘体缺陷与掺杂效应的第一性原理研究

【摘要】近几年，随着拓扑绝缘体的研究与发展，传统的Bi2Se3类和Hg1-xCdxTe类材料再次成为关注的焦点。实验中生长的材料都不可避免地引入缺陷与杂质，影响材料的物理、化学、机械和电子特性。例如：Hg1-xCdxTe中的阳离子空位使材料呈现出p型特征；而Bi2Se3材料由于生长过程中引入的替位和空位等本征缺陷表现为n型特征。更有意义的是，通过外来原子的掺杂，这些材料都可以发生n-to-p或p-to-n型的转变。此外，新型二维半导体材料过渡金属二硫化物MS2(M=Mo，W)被成功合成，它们的电子、机械和磁性性能的调节成为研究的热点。在本文中，我们运用第一性原理计算方法对Bi2Se3、Hg0.75Cd0.25Te和MS2(M=Mo，W)中的缺陷和杂质进行了计算和研究，研究内容如下：1.对Bi2Se3材料中的本征缺陷VSe1、VBi、SeBi、BiSe和外来掺杂CdBi、CaBi进行了计算研究。结果表明在富Se和富Bi生长环境下，SeBi和VSe1分别是n型掺杂的主要来源。富Se生长环境下，CdBi和CaBi两种掺杂能够对本征缺陷VSe1和SeBi引入的n型掺杂效应形成有效的补偿。这种补偿作用随着生长环境向富Bi的转变而逐渐减弱，从而发生材料p-to-n或者n-to-p的转变。同时，费米能级被有效调节。2.对Hg0.75Cd0.25Te中Hg空位、TeHg反位和H间隙复合形成的nH-VHg(n=1，2，3，4)和nH-TeHg(n=1,2)复合杂质进行了计算研究。研究结果表明1H-VHg可以钝化p型缺陷Hg空位引入的深受主能级，而且随着H浓度的增大，2H-VHg完全中和掉Hg空位的p型掺杂效应。3H-VHg和4H-VHg则将Hg空位p型的掺杂效应转化为n型。对于n型缺陷TeHg反位，1H-TeHg较容易形成并且部分钝化掉TeHg引入的施主效应。但是2H-TeHg的形成比较困难而且也是一个双施主，它不能中和TeHg反位引入的施主效应。这个结论对实验中材料从p到n型的转化现象给出了合理的解释。3.对含有双S缺陷的单层MS2(DSVD-MS2，M=Mo，W)的应变效应进行研究。结果表明，应变可以引起体系从非磁性正三角形到磁性孔状结构的可逆相变。DSVD-MoS2和DSVD-WS2完全重构所需要的应变分别为12%和11%，可在实验中实现。在适当的外压力作用下，缺陷的孔状重构能够恢复到三角形重构。不同应力下电子性质的研究结果表明孔状重构体系具有可调的电子和磁性性能，包括自旋极化为100%的半金属态。以上结果表明这种缺陷体系有利于自旋电子器件的应用。
【作者】薛林；
【导师】钟建新；
【作者基本信息】湘潭大学，凝聚态物理，2014，博士
【关键词】拓扑绝缘体；缺陷与杂质；过渡金属二硫化物；电磁性能；第一性原理；

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