V,Cr,Mn摻雜對(duì)單層WS2磁性的影響

張　芳，李　偉，戴憲起

(1. 平頂山學(xué)院 電氣信息工程學(xué)院，河南 平頂山 467000； 2. 河南城建學(xué)院 數(shù)理學(xué)院， 河南 平頂山 467036；3. 河南師范大學(xué) 物理與電子工程學(xué)院, 河南 新鄉(xiāng) 453007)

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V,Cr,Mn摻雜對(duì)單層WS2磁性的影響

張芳1，李偉2,3，戴憲起3

(1. 平頂山學(xué)院 電氣信息工程學(xué)院，河南 平頂山 467000； 2. 河南城建學(xué)院 數(shù)理學(xué)院， 河南 平頂山 467036；3. 河南師范大學(xué) 物理與電子工程學(xué)院, 河南 新鄉(xiāng) 453007)

采用密度泛函理論框架下的第一性原理平面波贗勢(shì)方法, 研究了過(guò)渡金屬V,Cr和Mn原子摻雜單層WS2的磁性和穩(wěn)定性。計(jì)算結(jié)果表明，Cr摻雜時(shí)體系不顯示磁性，V和Mn摻雜均能產(chǎn)生一定的磁矩, 而且磁矩主要集中在摻雜的V和Mn原子上。進(jìn)一步討論V或Mn雙原子摻雜WS2體系中摻雜原子之間的耦合作用發(fā)現(xiàn),Mn摻雜的體系在室溫下顯示出穩(wěn)定的鐵磁性, 而V摻雜則表現(xiàn)出非自旋極化基態(tài)。形成能的計(jì)算表明Mn摻雜的WS2體系比V和Cr摻雜結(jié)構(gòu)更穩(wěn)定。

第一性原理; 摻雜; 磁性; 單層WS2

0　引　言

最近,人們發(fā)現(xiàn)在Ⅱ-Ⅵ族或Ⅲ-Ⅴ族化合物半導(dǎo)體中摻入微量的4f稀土金屬元素或者3d過(guò)渡金屬元素可以使半導(dǎo)體材料獲得磁性,這種新型半導(dǎo)體材料被稱為稀磁半導(dǎo)體[1-3]。稀磁半導(dǎo)體是自旋電子器件的基礎(chǔ),隨著自旋電子學(xué)的興起,稀磁半導(dǎo)體逐漸成為研究熱點(diǎn)[4-6]。目前,人們利用磁性金屬元素?fù)诫sⅡ-Ⅵ族或Ⅲ-Ⅴ族半導(dǎo)體材料,獲得了一些較好的光、電、磁等性質(zhì),為自旋電子器件的發(fā)展奠定了基礎(chǔ)。 然而,人們對(duì)稀磁半導(dǎo)體中磁性的來(lái)源存在爭(zhēng)議,對(duì)磁性機(jī)理的解釋也不統(tǒng)一。Rode等[7]認(rèn)為過(guò)渡金屬摻雜ZnO基稀磁半導(dǎo)體的磁性來(lái)源于載流子調(diào)制的雙交換機(jī)制。Park等[8]認(rèn)為ZnO基稀磁半導(dǎo)體的磁性來(lái)源于H雜質(zhì)缺陷形成的磁極子。G.S.Chang等[9]的研究表明, 通過(guò)自由電子的調(diào)制，ZnO中摻雜的Co離子之間能夠產(chǎn)生鐵磁性耦合。為了弄清楚磁性的來(lái)源, 人們對(duì)Ⅱ-Ⅵ族和Ⅲ-Ⅴ族半導(dǎo)體進(jìn)行了多種嘗試，對(duì)于Ⅱ-Ⅵ族半導(dǎo)體, 在實(shí)際中摻雜成n型或p型非常困難,而對(duì)于Ⅲ-Ⅴ族半導(dǎo)體, 磁性粒子在其化合物中的固溶度較低且居里溫度低于室溫, 所以二者均不適合作為自旋電子器件的材料。因此尋找更為合適的稀磁半導(dǎo)體材料已成為目前自旋電子學(xué)研究的熱點(diǎn)。

石墨烯的發(fā)現(xiàn)[10]引發(fā)了人們對(duì)二維稀磁半導(dǎo)體[11-12]的關(guān)注, 雖然石墨烯被認(rèn)為是注入雜質(zhì)過(guò)渡金屬原子的理想材料，但石墨烯的零帶隙阻礙了對(duì)其電荷和磁性的控制。二維過(guò)渡金屬硫族化合物(TMD)在光、電、催化、潤(rùn)滑[13-16]等方面顯示了優(yōu)越的性能，更重要的是二維TMD的帶隙寬度在1～2eV范圍內(nèi)，與石墨烯的零帶隙相比其在自旋電子器件的開發(fā)應(yīng)用方面顯示出獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)。Cheng[17]等研究了Mn、Fe、Co、Zn在單層MoS2中摻雜的晶體結(jié)構(gòu)、電子結(jié)構(gòu)和磁性質(zhì)，表明摻雜是調(diào)控二維Mn/MoS2稀磁半導(dǎo)體磁性的有效方法。Ramasubramaniam[18]提出磁性離子之間的雙交換作用使得Mn/MoS2稀磁半導(dǎo)體具有鐵磁性,Mn摻雜濃度為10%～15%時(shí)Mn/MoS2稀磁半導(dǎo)體在室溫下顯示出鐵磁性。然而, 據(jù)我們所知，迄今為止還沒(méi)有單層WS2在電子自旋方面的報(bào)道, 而其在什么條件下會(huì)具有磁性且是否可以作為稀磁半導(dǎo)體在實(shí)際中應(yīng)用, 這都是我們關(guān)注的問(wèn)題。為此，本文采用基于密度泛函理論的第一性原理方法研究了過(guò)渡金屬V、Cr和Mn摻雜單層WS2的磁性和穩(wěn)定性，以期能為WS2作為新型稀磁半導(dǎo)體在實(shí)際中的應(yīng)用提供理論參考。

1　模型和計(jì)算方法

1.1模型構(gòu)建

如圖1所示,我們選取了單層3×3×1的超原胞。

圖1　WS2的晶體結(jié)構(gòu)

為防止薄膜因周期性計(jì)算方法而人為引入的相互作用, 我們?cè)诒砻婕由?.5nm的真空層。首先考慮僅摻雜一個(gè)過(guò)渡金屬原子,將一個(gè)W原子分別由V、Cr和Mn原子替換,形成V、Cr和Mn單摻雜的WS2, 如圖1(c)所示。

1.2計(jì)算方法

本文采用基于密度泛函理論平面波贗勢(shì)方法的VASP[19-20](viennaab-initiosimulationpackage) 軟件包完成。 原子實(shí)和價(jià)電子之間的相互作用通過(guò)綴加投影波方法(projector-augmentedwavemethod,PAW)[21]來(lái)描述。平面波截?cái)嗄芰繛?50eV, 電子間相互作用的交換關(guān)聯(lián)能采用廣義梯度近似(GGA) 的PBE[22]方案處理。布里淵區(qū)積分通過(guò)Monkhost-Pack[23]方法產(chǎn)生,k點(diǎn)網(wǎng)格數(shù)為12×12×1。結(jié)構(gòu)優(yōu)化過(guò)程中, 原子進(jìn)行完全弛豫, 能量收斂標(biāo)準(zhǔn)為1×10-5eV/atom, 原子間相互作用力收斂標(biāo)準(zhǔn)為0.1eV/nm。

2　結(jié)果與討論

2.1晶體結(jié)構(gòu)

本征WS2與V,Cr,Mn單摻雜的WS2優(yōu)化后的晶格結(jié)構(gòu)參數(shù)如表1所示。在本征WS2優(yōu)化后,W—S鍵長(zhǎng)為0.2416nm,S—W—S鍵角為81.088°, 與Schutte等的計(jì)算結(jié)果相符[24]。摻雜后V—S,Cr—S,Mn—S鍵長(zhǎng)依次減小, 分別為0.2370, 0.2336 和0.2312nm, 且都小于W—S鍵長(zhǎng)。從鍵角上看, 摻雜后S-V-S、S-Cr-S和S-Mn-S鍵角都要略微小于S—W—S鍵角。

表1本征和摻雜后WS2體系的晶格結(jié)構(gòu),其中d(nm) 和θ(°)分別表示鍵長(zhǎng)和鍵角

Table1CrystallinestructureofintrinsicanddopedWS2,whered(nm)ansθ (°)representbondlengthsandbondangles,respectively

類型dW-SdV-SdCr-SdMn-SθS-W-SθS-V-SθS-Cr-SθS-Mn-SWS22.416———81.088———V摻雜2.4042.370——81.13180.667——Cr摻雜2.420—2.336—80.959—80.338—Mn摻雜2.423——2.31281.215——79.463

2.2磁性分析

表2給出了WS2中摻雜V、Cr和Mn后體系的總磁矩Mtot, 摻雜原子的磁矩Mdope, 與摻雜原子最近鄰的W原子(MW) 和S原子(MS)的局域磁矩。

表2本征和摻雜后WS2體系的磁矩, 其中μB為玻爾磁子

Table2MagneticmomentofintrinsicanddopedWS2,whereμBrepresentsBohrmagneton

類型Mtot/μBMdope/μBMW/μBMS/μBWS20000V摻雜0.6940.2800.090.006Cr摻雜0000Mn摻雜1.0191.0720.03-0.072

從表2可以看出,WS2在摻雜V和Mn后體系顯示磁性,而本征WS2和Cr摻雜的WS2體系則對(duì)外不顯示磁性。V和Mn在摻雜的WS2體系中貢獻(xiàn)了絕大部分磁矩，S原子對(duì)磁矩的貢獻(xiàn)非常小，因其形成了穩(wěn)定的閉殼層結(jié)構(gòu)。為了形成穩(wěn)定的閉殼層結(jié)構(gòu), 每一個(gè)S原子需要從最近鄰的過(guò)渡金屬或W原子上獲得兩個(gè)電子。純凈的WS2中,W(5d46s2)原子失去4個(gè)價(jià)電子，鄰近的兩個(gè)S(3s23p4)原子各自獲得2個(gè)電子形成了穩(wěn)定的閉殼層。所以W離子為+4價(jià), 而S離子為-2價(jià),W4+離子的5d軌道沒(méi)有被填滿，被2個(gè)電子部分占據(jù)。這兩個(gè)電子會(huì)占據(jù)能量最低的軌道,由于泡利不相容原理,其自旋為反平行, 因此本征WS2電子態(tài)密度是非自旋極化的, 故本征WS2對(duì)外不顯示磁性。在WS2中摻雜V或Mn時(shí), 與W原子相似，V或Mn原子失去四個(gè)價(jià)電子，這樣V和Mn原子各自剩下1個(gè)和3個(gè)3d電子，V和Mn原子上剩下的3d電子進(jìn)一步劈裂但因?yàn)榉钦麛?shù)的磁矩所以不一定完全極化。Bader電荷分析結(jié)果表明,V和Mn原子上的凈Bader電荷分別為3.073e和5.136e,S原子的Bader電荷為6.31e, 表明電子從摻雜原子轉(zhuǎn)移到周圍的S原子上。當(dāng)在WS2中摻雜Cr時(shí),Cr原子也要失去四個(gè)價(jià)電子，Cr4+離子的3d2子殼層被2個(gè)電子部分占據(jù), 鄰近的每個(gè)S(3s23p4) 原子獲得2個(gè)電子形成穩(wěn)定的閉殼層，Cr、S之間的電荷轉(zhuǎn)移與本征WS2的W、S之間的電荷轉(zhuǎn)移相同, 所以S、W、Cr原子均形成了穩(wěn)定的電子閉殼層而沒(méi)有產(chǎn)生局域磁矩, 故體系對(duì)外不顯示磁性。

本征WS2和WS2摻雜V、Cr、Mn后的態(tài)密度如圖2所示。從圖2可以看出, 本征WS2價(jià)帶頂主要由W的5d軌道電子組成, 少部分為S的3p軌道電子。導(dǎo)帶底同樣主要為W的5d軌道電子貢獻(xiàn)，少部分來(lái)源于S的3p軌道電子。自旋向上和自旋向下態(tài)密度完全對(duì)稱, 費(fèi)米面附近沒(méi)有發(fā)生自旋劈裂現(xiàn)象, 因此本征WS2對(duì)外不顯示磁性。和本征WS2類似，WS2在摻雜Cr后，費(fèi)米面附近沒(méi)有發(fā)生自旋劈裂，所以Cr摻雜的WS2體系對(duì)外也不顯示磁性。

圖2　態(tài)密度圖 (a) 本征WS2; (b) V 摻雜的WS2; (c) Cr 摻雜的WS2; (d) Mn摻雜的WS2

V和Mn摻雜的WS2體系由于電子之間的交換作用, 自旋向上和自旋向下的態(tài)密度在費(fèi)米能級(jí)附近發(fā)生了自旋劈裂，自旋向上和自旋向下的電子數(shù)目不等, 在3d能帶中形成未被抵消的自發(fā)磁矩，因而發(fā)生自發(fā)磁化。V摻雜的WS2體系在靠近價(jià)帶頂?shù)奈恢贸霈F(xiàn)了明顯的雜質(zhì)能級(jí)并有能級(jí)劈裂現(xiàn)象, 其在自旋向下的通道中穿過(guò)費(fèi)米面,雜質(zhì)能級(jí)來(lái)源于W的4d和V的3d軌道,表明體系的磁矩主要局域在W和V上。Mn摻雜的WS2體系在靠近導(dǎo)帶底的位置出現(xiàn)了明顯的雜質(zhì)能級(jí)，其主要由W的5d軌道和Mn的3d軌道電子組成?？拷鼉r(jià)帶頂?shù)奈恢冒l(fā)生了自旋劈裂，自旋向上的部分穿過(guò)費(fèi)米面, 自旋向下的部分依然位于費(fèi)米能級(jí)以下，表現(xiàn)出半金屬性，其主要由W的5d軌道和Mn的3d軌道電子組成，這表明Mn摻雜的WS2體系的磁矩主要局域在W和Mn上。從態(tài)密度上可以看出,V和Mn摻雜的WS2體系中, 在費(fèi)米面附近V-3d、Mn-3d、W-4d和S-3p態(tài)之間發(fā)生了強(qiáng)烈的耦合作用, 說(shuō)明引入V和Mn是引起體系磁性的主要原因。

V和Mn摻雜后WS2體系的自旋電荷密度如圖3所示。 兩種體系中磁矩都主要局域在摻雜的V和Mn上,W也有少量貢獻(xiàn)。由圖3(a)可以看出，摻雜的V原子與周圍的6個(gè)W原子形成弱的鐵磁耦合, 而Mn摻雜的體系中, 周圍的6個(gè)W原子中兩個(gè)自旋向上, 其余的4個(gè)自旋向下，出現(xiàn)兩種相反的自旋情況。這是因?yàn)閃S2摻雜V后, 沒(méi)有改變體系D3H的對(duì)稱性，周圍的6個(gè)W原子完全等價(jià)。而Mn摻雜WS2后, 兩個(gè)W—S鍵長(zhǎng)為0.2331nm, 另一個(gè)則為0.2292nm, 對(duì)稱性降低為C2V, 使得周圍的6個(gè)W原子自旋密度出現(xiàn)兩種不同的方向。與Mn原子相鄰的3個(gè)S原子上也有少量的自旋向下的自旋密度分布，所以Mn和S原子及4個(gè)W原子有弱的反鐵磁耦合。

圖3摻雜后WS2體系的自旋密度(a)V摻雜的WS2; (b)Mn摻雜的WS2; 等值面取0.009e/nm3, 藍(lán)色表示自旋向上, 紅色表示自旋向下

Fig3SpindensityofdopedWS2(a)spindensityofV-dopedWS2; (b)spindensityofMn-dopedWS2;blueandredisosurfacescorrespondtospinupandspindownvaluesof0.05e/nm3

為了進(jìn)一步研究磁性的來(lái)源及摻雜原子之間的相互作用, 我們選取了5×5×1 的超原胞, 其中兩個(gè)W原子被兩個(gè)V或Mn原子替代。對(duì)V和Mn摻雜WS2體系均分別考慮了摻雜原子之間鐵磁和反鐵磁耦合的情況。Mn摻雜WS2體系鐵磁態(tài)的能量比反鐵磁態(tài)低27.5meV，大于室溫下的熱能(約26meV), 表明Mn摻雜的WS2體系具有鐵磁性, 在室溫下可獲得比較好的鐵磁性質(zhì)。當(dāng)摻雜V時(shí),WS2體系反鐵磁初始態(tài)優(yōu)化之后為非自旋極化基態(tài), 產(chǎn)生的局域磁矩為零并且磁性耦合作用消失。非自旋極化基態(tài)的能量比鐵磁態(tài)低，說(shuō)明V摻雜的WS2體系為非自旋極化基態(tài)。

2.3結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性

為了考察摻雜體系的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性, 我們計(jì)算了V和Mn摻雜WS2體系的形成能。其形成能定義為Eform=Etot[X]-Etot[WS2]ΣniEi，Etot[X]和Etot[WS2]分別為摻雜后和未摻雜的WS2的總能量, ni>0表示ni為摻雜到體系中的原子個(gè)數(shù), 而ni<0表示ni為從體系中被替換掉的原子個(gè)數(shù), Ei為相應(yīng)的單原子的能量。形成能為正值表示結(jié)構(gòu)不能穩(wěn)定存在, 負(fù)值表示結(jié)構(gòu)是穩(wěn)定的, 并且形成能越低越穩(wěn)定。V,Cr,Mn3種摻雜體系的形成能分別為0.312, 0.728和-1.854eV，計(jì)算結(jié)果表明Mn摻雜的WS2體系與V和Cr摻雜相比更穩(wěn)定, 在實(shí)際中更容易實(shí)現(xiàn)。

3　結(jié)　論

本文采用第一性原理的密度泛函理論研究了過(guò)渡金屬V,Cr和Mn摻雜單層WS2體系的磁性和穩(wěn)定性。計(jì)算結(jié)果表明，Cr摻雜時(shí)體系對(duì)外不顯示磁性,V和Mn摻雜時(shí)均能產(chǎn)生一定的磁矩, 并且磁矩主要集中在摻雜的V和Mn原子上。我們發(fā)現(xiàn)電子從V或Mn原子轉(zhuǎn)移到周圍的S原子后,由于電子之間的交換作用，V和Mn原子上剩余的3d電子進(jìn)一步劈裂，造成自旋向上和自旋向下的電子數(shù)目不等，從而形成局域磁矩。從態(tài)密度圖可知，其磁性主要來(lái)源于V或Mn原子的3d軌道和WS2自身的S-3p和W-4d軌道間的強(qiáng)烈耦合。當(dāng)雙原子摻雜WS2時(shí),Mn摻雜WS2體系出現(xiàn)了穩(wěn)定的鐵磁態(tài),Mn-Mn之間存在強(qiáng)烈的鐵磁耦合作用; 而V摻雜時(shí), 體系表現(xiàn)為非自旋極化基態(tài)。形成能的計(jì)算證實(shí)Mn摻雜的WS2體系比V和Cr摻雜體系更穩(wěn)定。

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EffectofV-,Cr-,Mn-dopingonmagneticpropertiesofmonolayerWS2

ZHANGFang1,LIWei2, 3,DAIXianqi3

(1.CollegeofElectricandInformationEngineering,PingdingshanUniversity,Pingdingshan467000,China;2.SchoolofMathematics&Physics,HenanUniversityofUrbanConstruction,Pingdingshan467036,China;3.CollegeofPhysicsandElectronicEngineering,HenanNormalUniversity,Xinxiang453007,China)

Wesystematicallystudythemagnetismsandstabilitiesoftransitionmetal(TM=V,Cr,Mn)atomsdopedmonolayerWS2byusinganabinitiomethodofplanewavepotentialtechniquebasedonthedensityfunctiontheory.TheresultsshowthatCr-dopedmonolayerWS2doesnotdisplaymagnetismwhilebothV-andMn-dopedsystemshavemagnetismandthemagneticmomentmainlyconcentratesonthetransitionmetaldopantatoms.FurtherstudyonthemagneticcouplingofdoubleatomsdopedmonolayerWS2showsthatthestableferromagneticstateatroomtemperatureisobservedintheMn-dopedmonolayerWS2.However,thesystemshowsanon-spinpolarizationstateduetodopingwithV.TheformationenergyindicatesthattheMn-dopedWS2isthemoststablesystem.

first-principles;doping;magnetism;monolayerWS2

1001-9731(2016)08-08186-05

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(U1404109)；河南省高等學(xué)校重點(diǎn)科研資助項(xiàng)目(15B140008)

2015-08-10

2015-10-23 通訊作者：戴憲起，E-mail:xqdai@htu.edu.cn

張芳(1978-)女,河南遂平人,平頂山學(xué)院講師,從事低維材料的模擬計(jì)算研究。

O471.5

ADOI:10.3969/j.issn.1001-9731.2016.08.033