二维铁电材料X2Y3及其范德华异质结电子结构调控.pdfVIP

摘要

自从石墨烯的成功制备以来，二维材料逐渐走进了人们的视野，成为了研究热点，

其中二维铁电材料由于其可逆的自发极化特性，在非易失性存储器件以及二维铁电场效

应晶体管中有很大的应用前景。与二维铁电半导体相比，二维铁电金属材料同时具有金

属性和铁电性，并因其独特的物理性质而激发了人们的研究兴趣，但相关研究却还较少。

因此，本文基于第一性原理计算首先成功预测了8种(SiP，SiAs，SiSb，GeP，GeAs，

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SnP，SnAs，SnSb)稳定的铁电金属材料，并对它们的铁电性质及其范德华异质结的

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电子结构进行了研究，其次选取了具有宽带隙特征的二维铁电半导体GaO，将其与半

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导体WS2构建范德华异质结，并对其电子结构以及能带排列进行了调控。主要研究计算

结果如下：

(1)基于第一性原理计算，通过原子替换的方法预测了单层XY(X=C，Si，Ge，Sn；

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Y=N，P，As，Sb)材料，并对其稳定性进行研究，最终得到了8种(SiP，SiAs，SiSb，

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GeP，GeAs，SnP，SnAs，SnSb)稳定的结构，其结构特点类似于α相的InSe。

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对于这8种稳定材料的电子结构、沿材料面外方向的平均静电势和电子密度进行了系统

的研究，计算结果表明它们都为极性金属材料，通过对其过渡态的计算验证了它们的铁

电性，并模拟了外加电场是否可以实现该铁电金属材料的极化反转过程，最终获得8种

二维铁电金属材料。此外构建了SiP/graphene、SiAs/WTe和SiAs/MoTe范德华异

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质结来探究二维铁电金属异质结的电子结构，通过极化反转可以对石墨烯进行不同程度

的p型掺杂。而对于SiAs/WTe和SiAs/MoTe范德华异质结，极化方向的反转有效

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地调整了其肖特基势垒高度并改变了接触类型。因此，该工作成功地预测了8种二维铁

电金属材料，也验证了铁电性和金属性是可以共存于同一材料，为铁电金属领域增添了

新的力量，并探索了二维铁电金属的可能应用，证明了铁电金属具有其独特的物理性质

和应用潜力。

(2)采用单层二维宽带隙铁电半导体材料GaO和过渡金属硫族化合物WS，在垂

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直方向上堆垛构建了二维GaO/WS范德华异质结。通过第一性原理计算，系统研究了

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GaO/WS的极化模型的电子结构，考虑了三种不同的堆叠方式，最后得到最稳定构型，

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GaO(P↓)/WS2为II型能带排列类型，而GaO(P↑)/WS为类型III。其次，通过双轴应

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变工程、层间距以及施加垂直电场三种手段对于不同极化模型GaO/WS