氯吸附單層黑磷烯的自旋輸運(yùn)性質(zhì)研究

0 1引言 黑磷是一種擁有巨大應(yīng)用潛力的新型二維材料，它由磷原子褶皺型排列結(jié)合而成，面內(nèi)存在強(qiáng)的力學(xué)、電學(xué)和光學(xué)各向異性。此外黑磷還有高的載流子遷移率和層數(shù)可調(diào)的直接帶隙。以上這些優(yōu)點(diǎn)使黑磷在電子學(xué)器件和光子學(xué)器件中受到廣泛地研究。雖然黑磷沒有磁性，但是可以通過磁化工程使其產(chǎn)生磁性。其中黑磷通過吸附鹵素原子來引入磁性被廣泛研究。科研者們通過吸附鹵素原子調(diào)節(jié)黑磷的物理化學(xué)性質(zhì)，擴(kuò)大了黑磷的應(yīng)用方向。在氯修飾的磷烯系統(tǒng)中，由于鹵素和磷原子之間的電子轉(zhuǎn)移，該系統(tǒng)將成為磁性半導(dǎo)體，在費(fèi)米能級(jí)的兩側(cè)分別出現(xiàn)自旋向上和自旋向下的輸運(yùn)通道。用鹵素原子功能化的黑磷烯是自旋注入到自旋電子學(xué)中的一種很好的方式，因此研究這些體系的自旋輸運(yùn)性質(zhì)具有重要意義。 0 2成果簡(jiǎn)介

本項(xiàng)目通過密度泛函理論結(jié)合非平衡格林函數(shù)方法研究了Cl原子吸附黑磷的自旋輸運(yùn)性質(zhì)，拓展了鹵素原子吸附黑磷的研究。研究結(jié)果表明由于Cl原子的吸附，黑磷的帶隙從1.3 eV的直接帶隙變?yōu)?.26 eV的間接帶隙。并且Cl原子和P原子之間發(fā)生了電荷轉(zhuǎn)移，體系產(chǎn)生了局域磁性。其中Cl原子的原子磁矩為0.2 ，最靠近Cl原子的P3原子和P2原子的原子磁矩分別為0.14 和0.12 。此外，Cl原子吸附黑磷的費(fèi)米能級(jí)附近出現(xiàn)兩條對(duì)稱的自旋通道。這些計(jì)算結(jié)果都證明Cl原子吸附的黑磷是一類值得深入探討的二維磁性材料。于是基于Cl原子吸附黑磷設(shè)計(jì)了光電器件和熱電器件并研究了其輸運(yùn)性質(zhì)。研究結(jié)果發(fā)現(xiàn)在特殊的偏振光照射情況下，器件可以產(chǎn)生純自旋流。如果把勢(shì)壘層換成黑磷，在0°、90°和180°偏振角的偏振光的照射下，APC構(gòu)型的器件產(chǎn)生了穩(wěn)定的純自旋流。對(duì)于熱電器件，勢(shì)壘層的黑磷長(zhǎng)度對(duì)其自旋流有很大的影響。隨著黑磷長(zhǎng)度的增加，器件的透射系數(shù)逐漸降低，且自旋向下透射系數(shù)的下降速度比自旋向上透射系數(shù)的下降速度快。在某個(gè)黑磷長(zhǎng)度下，兩者所包含的面積相同，器件產(chǎn)生沒有電荷流伴隨的純自旋流。

上述研究結(jié)果表明Cl原子吸附的黑磷是一種值得深入探討的二維磁性材料，其在二維自旋電子學(xué)器件中具有廣闊的應(yīng)用前景。

0 3圖文導(dǎo)讀 為保持器件的鏡面對(duì)稱性，光電器件的輸運(yùn)方向是鋸齒（zigzag）方向，而熱電器件的輸運(yùn)方向是扶手椅（armchair）方向。

圖1 Cl原子吸附黑磷/黑磷/ Cl原子吸附黑磷光電器件的（a）俯視圖和（b）側(cè)視圖。

圖2 PC和APC構(gòu)型下，1.3 eV 光子能量下的光電流。

圖3（a）APC構(gòu)型下器件在0°和90°偏振角下的光致自旋流、（b）1.8 eV 光子能量下的光電流。

圖4 兩種熱電器件結(jié)構(gòu)示意圖：（a）type1和（b）type2。

圖5（a）type2和（b）type3器件的熱自旋流Is和熱電荷流Ith。

0 4小結(jié) 二維磁性材料為自旋電子學(xué)器件提供了一個(gè)新的平臺(tái)。二維磁性材料因其本身獨(dú)特性質(zhì)，又能與其它二維材料任意垂直堆疊，引起了研究者們的廣泛關(guān)注。本項(xiàng)目采用鴻之微的Nanodcal軟件研究了Cl原子吸附的黑磷在光照和溫度梯度下的輸運(yùn)性質(zhì)。結(jié)果表明，黑磷由于Cl 原子的吸附產(chǎn)生了局域磁矩。在光電器件的輸運(yùn)研究中，特殊的光子能量和偏振角度下的線性偏振光可以產(chǎn)生純自旋流。并且把勢(shì)壘層換為黑磷后，可以在兩端電極磁態(tài)反平行時(shí)，在0°、90°和180°偏振角的偏振光的照射下得到純自旋流。在熱電器件的輸運(yùn)研究中，發(fā)現(xiàn)溫度梯度可以在器件中產(chǎn)生自旋流，并且通過調(diào)整勢(shì)壘層中黑磷的長(zhǎng)度可得到純自旋流。

審核編輯 ：李倩