氯吸附單層黑磷烯的自旋輸運性質(zhì)研究

0 1引言 黑磷是一種擁有巨大應用潛力的新型二維材料，它由磷原子褶皺型排列結合而成，面內(nèi)存在強的力學、電學和光學各向異性。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)點使黑磷在電子學器件和光子學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?？蒲姓邆兺ㄟ^吸附鹵素原子調(diào)節(jié)黑磷的物理化學性質(zhì)，擴大了黑磷的應用方向。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移，該系統(tǒng)將成為磁性半導體，在費米能級的兩側分別出現(xiàn)自旋向上和自旋向下的輸運通道。用鹵素原子功能化的黑磷烯是自旋注入到自旋電子學中的一種很好的方式，因此研究這些體系的自旋輸運性質(zhì)具有重要意義。 0 2成果簡介

本項目通過密度泛函理論結合非平衡格林函數(shù)方法研究了Cl原子吸附黑磷的自旋輸運性質(zhì)，拓展了鹵素原子吸附黑磷的研究。研究結果表明由于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原子吸附黑磷的費米能級附近出現(xiàn)兩條對稱的自旋通道。這些計算結果都證明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原子吸附黑磷設計了光電器件和熱電器件并研究了其輸運性質(zhì)。研究結果發(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。如果把勢壘層換成黑磷，在0°、90°和180°偏振角的偏振光的照射下，APC構型的器件產(chǎn)生了穩(wěn)定的純自旋流。對于熱電器件，勢壘層的黑磷長度對其自旋流有很大的影響。隨著黑磷長度的增加，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。在某個黑磷長度下，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器件中具有廣闊的應用前景。

0 3圖文導讀 為保持器件的鏡面對稱性，光電器件的輸運方向是鋸齒（zigzag）方向，而熱電器件的輸運方向是扶手椅（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）側視圖。

圖2 PC和APC構型下，1.3 eV 光子能量下的光電流。

圖3（a）APC構型下器件在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 兩種熱電器件結構示意圖：（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 二維磁性材料為自旋電子學器件提供了一個新的平臺。二維磁性材料因其本身獨特性質(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注。本項目采用鴻之微的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性質(zhì)。結果表明，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。并且把勢壘層換為黑磷后，可以在兩端電極磁態(tài)反平行時，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)整勢壘層中黑磷的長度可得到純自旋流。

審核編輯 ：李倩