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單層MX二維材料的能帶結構和一般光學自旋性質

發布時間:2024-01-30 11:36:10 瀏覽量:2067 作者:Leon

摘要

III-VI族單硫族化合物已經研究了幾十年,然而,直到蕞近,在對新型範德華半導體(ti) (如tmd)進行了廣泛的研究之後,才開始在這些係統中進行單層和少層厚度的研究。

正文


單層MX二維材料的能帶結構和一般光學自旋性質


蕞近人們(men) 的發現涉及某些材料的層依賴的電子,光學和磁性已在相關(guan) 文獻中報道,這些性質表明單硫屬化合物與(yu) tmd不同,因此突出了它們(men) 在未來光學、電子和基於(yu) 自旋的器件中的潛力。


單層MX (M = Ga或In, X = Se, S, Te)的晶體(ti) 結構是由四個(ge) 共價(jia) 鍵原子(X - M - M - X)形成的,它們(men) 通過麵內(nei) 鏡麵反射對稱形成上下亞(ya) 層。這兩(liang) 個(ge) 亞(ya) 層被相鄰的金屬原子緊緊地結合在一起,從(cong) 而形成了一個(ge) 屈曲的蜂窩晶格(圖1a)。第1個(ge) 布裏淵帶的描述如圖1c所示,圖中顯示了距離原點等距離的三種不同類型的帶中心狀態。這些也可以用圖1d中的近自由電子帶結構和相應的對稱群來說明。


圖1


如圖1中所示,(a)是含有金屬和硫族原子的III-VI單硫族化合物的三維單晶胞圖,(b)是同一單晶胞的二維單晶胞圖。倒易點陣點和約簡brilion區如圖(c)所示。(d)顯示了沿K-Γ-M的近自由電子帶結構,並標記了Γ點群的不可約表示。


圖2.GaS (a)、GaSe (b)、GaTe (c)、InS (d)、InSe (e)、InTe (f)的單層能帶結構。

零點處虛線表示費米能級


第1個(ge) 主要帶結構研究表明,單層GaS、GaSe、GaTe、InS、InSe和InTe的帶隙在2.0 - 3.3 eV之間(圖2)。在單分子層極限下,III-VI單硫族化合物具有準間接帶隙,主要價(jia) 帶呈火山口形狀。這種形狀導致價(jia) 帶蕞大值與(yu) Γ點略有偏離。進一步的複雜性可以通過考慮SOC效應的擾動來獲得,這在GaSe和InSe中已經得到了廣泛的研究。原子荷電性導致自旋態分裂和能帶混合,而晶體(ti) 對稱性產(chan) 生的荷電性會(hui) 導致額外的自旋分裂並影響自旋弛豫。


當考慮N(層數)大於(yu) 時,這些係統的複雜性會(hui) 加深。層序和層數可以改變帶隙,改變初級價(jia) 帶形狀,誘導鐵電,調節自旋弛豫。其他效應,如鐵磁性,預測由於(yu) 廣泛的空穴摻雜。總的來說,III-VI單硫屬化合物的帶結構引起的光自旋現象是有趣的,還有很多細節有待人們(men) 去探索。


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