过渡金属吸附对单层sns2电子性质和磁性的影响
稀磁半导体是一种既有磁性又有半导体性质的材料，它可以同时利用电子自旋及电荷这两个属性，极大地提高信息处理的速度及存储密度。SnS2作为一种性质优异的二维半导体，如何变为稀磁半导体成为人们研究的热点。本文采用基于密度泛函理论的第一性原理计算方法，研究了过渡金属原子（Fe，Co，Ni，Cu，Zn）吸附于单层SnS2上的结构、磁性和电子性质，并根据得到的数据，研究吸附体系的吸附能，能带结构，态密度等。通过不同位置的吸附能的比较发现所研究的过渡金属吸附于Sn原子上更稳定。同时所有稳定构型的吸附能的计算表明随着所含电子的数量不同，各个过渡金属原子的吸附能发生明显变化，并且Fe、Co、Ni和Cu原子都是化学吸附在单层SnS2上的，而Zn原子则是物理吸附于单层SnS2上。通过能带结构计算得到Fe和Co原子吸附形成的体系为磁性半导体，Ni和Zn原子吸附形成的体系为非磁性半导体，而Cu原子吸附的体系为非磁性金属。结果表明，Fe和Co吸附的单层SnS2更有利于形成稀磁半导体。关键词 单层SnS2，过渡金属原子，吸附，磁性，电子性质，第一性原理
目录
1绪论 1
1.1 新型二维半导体材料的研究现状及背景 1
1.1.1 稀磁半导体的发现与研究 1
1.1.2 二维过渡金属硫化物研究 1
1.2 单层SnS2的结构与性质 2
2 计算原理与方法 2
2.1 第一性原理方法 2
2.2 密度泛函理论 3
2.3软件包简介 7
3 过渡金属吸附单层SnS2电子性质和磁性的研究 7
3.1 计算方法与细节 7
3.2 计算结果与讨论 9
3.2.1 吸附体系的吸附能的研究计算 9
3.2.2 电子性质和磁性的计算分析 10
3.3 小结 13
展望 14
参考文献 15
致谢 16
1 绪论
1.1 新型二维半导体材料的研究现状及背景
材料在我们的生活中有着非常重要的地位，推动着科技文明的发展，在这发展过程中，人们对材料的研究和改良一直在进行。如今，半导体的发现以及大范围的应用使得我 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: ^351916072^
们进入了微电子时代，半导体材料的发现丰富并大大方便了我们的生活。但是现有的半导体材料不能满足我们日新月异的进步，所以，寻求新型半导体材料有着非常重要的意义。
人类历史上第一次成功制备出的单层二维材料便是发现石墨烯，二维材料超薄的厚度，保证外形最小化，功能最大化使它能最大限度的减小电子器件的厚度，二维材料本身独特的性能以及潜在的应用价值，物理、化学与材料等领域的学者们对它产生了浓厚的兴趣。它使二维晶体材料不能在有限温度下存在的定论变为谬论[1]。然而，逻辑元件需要有够大的电流开关阈值，但是石墨烯无带隙是一个非常大的遗憾，而带隙的存在在很多应用领域中非常必要。因此，寻求拥有半导体性质的新型二维材料成为今后研究并寻找新型材料的重要方向。
1.1.1 稀磁半导体的发现与研究
稀磁半导体又被叫做半磁半导体，它是在非磁性半导体基质中掺杂少量或的磁性元素制出的[1]。是应用于下一代量子力学计算机中的重要材料。
众所周知，电子具有电荷和自旋角动量的特性，但是以往的研究表明，电子的电荷和自旋一直是各自发展，互不干涉的[3]。近来，人们发现假如同时利用电子电荷和自旋这两种属性，可以让信息存储和处理一起进行[2]，这便形成了一个新的课题——自旋电子学。这是一门研究应用半导体中的载流子运输特性的学科。自旋电子器件与电子的自旋极化有关，能更进一步发展成既有磁性又有半导体性的电子器件这个优势使人们更倾向于选择它，而非传统的半导体器件，它的优点有集成度高、能量消耗低、运行速度快。而在这之中，稀磁半导体占据着重要地位，稀磁半导体可以同时利用电子自旋及电荷属性，将数据处理的速度提高,电子器件存储密度变大[3]。因此，稀磁半导体成为了研究凝聚态物理和材料物理的中心。
1.1.2 二维过渡金属硫化物研究
二维半导体材料拥有优秀的光电性质和物理性质。它们叠加形成的范德瓦尔兹异质结的独特的电子结构与功能受到了许多关注[4]。
近年来，过渡金属硫化物作为一种优异新型二维材料类型受到了极大的关注。过渡金属硫化物具是层状类石墨烯结构。过渡金属硫化物以层状的方式堆叠而成层内通过共价键的形式，而层间通过范德瓦尔兹力结合，每层都有六角形蜂窝状结构构成[6]，过渡金属原子夹在两层的S原子之间，整体呈现高对称性。二维过渡金属硫化物在微观上，平面上原子间以强化学键作用，原子间结合的方式比较相似，三维方向上则有弱范德华尔兹力作用，宏观上，一个水平面能一直无限展开，而三维方向，则只有一层或几层。经过研究，我们发现二维过渡金属硫化物材料，特别是半导体性质的过渡金属硫化物，具有奇特丰富的物理特性。新型二维过渡金属硫化物具有一些独特的热、电、光、力等性质，使它在能源转换、感应器、生物催化、等领域有着宽广的研究前景[9]。
若要深入研究二维材料的性质，首先需要能制备出高质量的二维材料。通过自上而下型和自下而上型方法可以制备二维过渡金属硫化物 [5]，剥离法，水热法，低能球磨法和超声法为自上而下型方法；化学气相沉积法则属于自下而上型。
1.2 单层SnS2的结构与性质
单层SnS2和石墨烯均能使用机械剥离法从它们的母体层状材料中得到。SnS2具有合适的禁带宽度，它的直接带隙为2.6eV，间接带隙为2.2eV，在微电子学、光催化等方面拥有优于其它二维半导体材料的特点。越来越多的研究者开始对它产生浓厚的兴趣，同时，SnS2还具有获取成本不高和环保对自然无害等特点，这就使得研究它变得非常实惠且方便了。
单层SnS2属于类石墨烯结构，它是一种优良的二维半导体材料，如今，对SnS2的研究还不是很深入，但是，它具备许多优异性质值得我们去深入钻研，并且，SnS2是一种对自然友好的电子材料，由地球上含量丰富的S元素以及Sn元素组成。并且它们储量丰富，无毒，对自然无害，这些都决定了SnS2在应用于光伏器件制造具有较大的发展前景。
尽管对单层SnS2实验和理论的研究已取得了初步的成果，但是过渡金属吸附对单层SnS2材料的电子结构和磁性仍然需要深入理解和研究[11]。
2 计算原理与方法
2.1 第一性原理方法
第一性原理计算,也叫做从头计算的方法，它将量子力学原理作为基础，研究材料原子，通过自洽计算，了解我们所要研究的材料的结构及其它性质。它化繁为简,把粒子之间的相互作用力简化,并用一些近似方法,处理研究数据及模型,更简便的求解薛定谔方程，减少了许多的计算量。
处理具体的问题的时候，只有少数简单体系，可以直接用薛定谔方程求解得到体系的能量[7]，而复杂的体系，求量子力学的性质的时候，通过薛定谔方程就很难求解得到。为此，学者们经过许多的验证和求解，变换方法，最后提出用近似方法来求解[8]，核心就是在处理多粒子体系问题时，将外部静电势中的有相互作用的电子转化成单个互不相互作用的电子在有效势场里运动的问题[11]。
目录
1绪论 1
1.1 新型二维半导体材料的研究现状及背景 1
1.1.1 稀磁半导体的发现与研究 1
1.1.2 二维过渡金属硫化物研究 1
1.2 单层SnS2的结构与性质 2
2 计算原理与方法 2
2.1 第一性原理方法 2
2.2 密度泛函理论 3
2.3软件包简介 7
3 过渡金属吸附单层SnS2电子性质和磁性的研究 7
3.1 计算方法与细节 7
3.2 计算结果与讨论 9
3.2.1 吸附体系的吸附能的研究计算 9
3.2.2 电子性质和磁性的计算分析 10
3.3 小结 13
展望 14
参考文献 15
致谢 16
1 绪论
1.1 新型二维半导体材料的研究现状及背景
材料在我们的生活中有着非常重要的地位，推动着科技文明的发展，在这发展过程中，人们对材料的研究和改良一直在进行。如今，半导体的发现以及大范围的应用使得我 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: ^351916072^
们进入了微电子时代，半导体材料的发现丰富并大大方便了我们的生活。但是现有的半导体材料不能满足我们日新月异的进步，所以，寻求新型半导体材料有着非常重要的意义。
人类历史上第一次成功制备出的单层二维材料便是发现石墨烯，二维材料超薄的厚度，保证外形最小化，功能最大化使它能最大限度的减小电子器件的厚度，二维材料本身独特的性能以及潜在的应用价值，物理、化学与材料等领域的学者们对它产生了浓厚的兴趣。它使二维晶体材料不能在有限温度下存在的定论变为谬论[1]。然而，逻辑元件需要有够大的电流开关阈值，但是石墨烯无带隙是一个非常大的遗憾，而带隙的存在在很多应用领域中非常必要。因此，寻求拥有半导体性质的新型二维材料成为今后研究并寻找新型材料的重要方向。
1.1.1 稀磁半导体的发现与研究
稀磁半导体又被叫做半磁半导体，它是在非磁性半导体基质中掺杂少量或的磁性元素制出的[1]。是应用于下一代量子力学计算机中的重要材料。
众所周知，电子具有电荷和自旋角动量的特性，但是以往的研究表明，电子的电荷和自旋一直是各自发展，互不干涉的[3]。近来，人们发现假如同时利用电子电荷和自旋这两种属性，可以让信息存储和处理一起进行[2]，这便形成了一个新的课题——自旋电子学。这是一门研究应用半导体中的载流子运输特性的学科。自旋电子器件与电子的自旋极化有关，能更进一步发展成既有磁性又有半导体性的电子器件这个优势使人们更倾向于选择它，而非传统的半导体器件，它的优点有集成度高、能量消耗低、运行速度快。而在这之中，稀磁半导体占据着重要地位，稀磁半导体可以同时利用电子自旋及电荷属性，将数据处理的速度提高,电子器件存储密度变大[3]。因此，稀磁半导体成为了研究凝聚态物理和材料物理的中心。
1.1.2 二维过渡金属硫化物研究
二维半导体材料拥有优秀的光电性质和物理性质。它们叠加形成的范德瓦尔兹异质结的独特的电子结构与功能受到了许多关注[4]。
近年来，过渡金属硫化物作为一种优异新型二维材料类型受到了极大的关注。过渡金属硫化物具是层状类石墨烯结构。过渡金属硫化物以层状的方式堆叠而成层内通过共价键的形式，而层间通过范德瓦尔兹力结合，每层都有六角形蜂窝状结构构成[6]，过渡金属原子夹在两层的S原子之间，整体呈现高对称性。二维过渡金属硫化物在微观上，平面上原子间以强化学键作用，原子间结合的方式比较相似，三维方向上则有弱范德华尔兹力作用，宏观上，一个水平面能一直无限展开，而三维方向，则只有一层或几层。经过研究，我们发现二维过渡金属硫化物材料，特别是半导体性质的过渡金属硫化物，具有奇特丰富的物理特性。新型二维过渡金属硫化物具有一些独特的热、电、光、力等性质，使它在能源转换、感应器、生物催化、等领域有着宽广的研究前景[9]。
若要深入研究二维材料的性质，首先需要能制备出高质量的二维材料。通过自上而下型和自下而上型方法可以制备二维过渡金属硫化物 [5]，剥离法，水热法，低能球磨法和超声法为自上而下型方法；化学气相沉积法则属于自下而上型。
1.2 单层SnS2的结构与性质
单层SnS2和石墨烯均能使用机械剥离法从它们的母体层状材料中得到。SnS2具有合适的禁带宽度，它的直接带隙为2.6eV，间接带隙为2.2eV，在微电子学、光催化等方面拥有优于其它二维半导体材料的特点。越来越多的研究者开始对它产生浓厚的兴趣，同时，SnS2还具有获取成本不高和环保对自然无害等特点，这就使得研究它变得非常实惠且方便了。
单层SnS2属于类石墨烯结构，它是一种优良的二维半导体材料，如今，对SnS2的研究还不是很深入，但是，它具备许多优异性质值得我们去深入钻研，并且，SnS2是一种对自然友好的电子材料，由地球上含量丰富的S元素以及Sn元素组成。并且它们储量丰富，无毒，对自然无害，这些都决定了SnS2在应用于光伏器件制造具有较大的发展前景。
尽管对单层SnS2实验和理论的研究已取得了初步的成果，但是过渡金属吸附对单层SnS2材料的电子结构和磁性仍然需要深入理解和研究[11]。
2 计算原理与方法
2.1 第一性原理方法
第一性原理计算,也叫做从头计算的方法，它将量子力学原理作为基础，研究材料原子，通过自洽计算，了解我们所要研究的材料的结构及其它性质。它化繁为简,把粒子之间的相互作用力简化,并用一些近似方法,处理研究数据及模型,更简便的求解薛定谔方程，减少了许多的计算量。
处理具体的问题的时候，只有少数简单体系，可以直接用薛定谔方程求解得到体系的能量[7]，而复杂的体系，求量子力学的性质的时候，通过薛定谔方程就很难求解得到。为此，学者们经过许多的验证和求解，变换方法，最后提出用近似方法来求解[8]，核心就是在处理多粒子体系问题时，将外部静电势中的有相互作用的电子转化成单个互不相互作用的电子在有效势场里运动的问题[11]。
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