本发明专利技术公开了一种自旋极化和带隙可调的铋基硫属化合物层状材料，属于半导体技术领域，本发明专利技术的利用自旋轨道耦合效应调控铋基硫属化合物层状材料包括顶层原子层、中间原子层、底层原子层；所述的顶层原子层中每个向顶层突出的铋原子沿垂直于中间原子层方向上连接一个硫属原子；所述的中间原子层由铋原子共价连接的椅式六元环重复连接组成，属六方晶系；所述的底层原子层中每个向底层突出的铋原子沿垂直于中间原子层方向上连接一个硫属原子；其中顶层原子层、底层原子层的硫属原子呈现交错平行的方式修饰在中间原子层的铋原子层上；本发明专利技术利用自旋轨道耦合效应解决现有技术无法同时获得宽带隙和强自旋极化率的要求。术无法同时获得宽带隙和强自旋极化率的要求。术无法同时获得宽带隙和强自旋极化率的要求。
【技术实现步骤摘要】
自旋极化和带隙可调的铋基硫属化合物层状材料
[0001]本专利技术涉及半导体
，尤其涉及一种利用自旋轨道耦合效应调控带隙和自旋极化率的铋基硫属化合物层状材料结构。
技术介绍
[0002]VA族二维半导体材料兼具超薄、柔性、高透明、极高的载流子迁移率等特点，是构建未来高性能纳米电子器件的核心材料之一。为了提高VA族单层晶体制备的可行性，人们相继开发出砷烯、锑烯和铋烯，通过机械剥离、液相剥离、等离子体辅助工艺、液相沉积技术等方法充分验证了它们的高稳定性。自旋轨道耦合效应的本质是外电场对运动自旋磁矩的作用。强自旋轨道耦合效应广泛存在于VA族二维材料中，尤其是锑烯和铋烯，导致材料中出现包括量子反常霍尔效应在内的丰富多彩的量子现象，对未来低能耗电子学、拓扑量子计算和清洁能源等技术的发展具有重大的推动作用。
[0003]为了赋予VA族二维材料优异的电学性能，国内外课题组通过在材料表面修饰不同原子，利用自旋轨道耦合效应实现了VA族二维材料由半导体性向拓扑非平庸性转变。尽管研究充分表明表面修饰原子能显著调控能带结构，但迄今为止通过自旋轨道耦合效应在铋基硫属化合物层状材料中引入电子自旋极化的研究尚属空白。基于电子自旋极化的纳米器件能够大大提高信息处理速度和存储密度，而且具有非易失性，低能耗等优点。因此为了满足特定的自旋电子器件性能需求，调控铋基硫属化合物层状材料的电子自旋极化变得尤其重要，是其应用于新一代自旋电子器件的基础。
[0004]在调控铋基硫属化合物层状材料带隙的同时，利用自旋轨道耦合效应引入自旋极化是本领域技术人员期望克服的。
技术实现思路
[0005]为了解决现有技术的上述问题，本专利技术提供一种兼具宽带隙和强自旋极化率的铋基硫属化合物层状材料结构，利用自旋轨道耦合效应解决现有技术无法同时获得宽带隙和强自旋极化率的要求。
[0006]本专利技术是这样实现的：
[0007]一种自旋极化和带隙可调的铋基硫属化合物层状材料，其特征在于，所述的材料包括顶层原子层、中间原子层、底层原子层；所述的顶层原子层中每个向顶层突出的铋原子沿垂直于中间原子层方向上连接一个硫属原子；所述的中间原子层由铋原子共价连接的椅式六元环重复连接组成，属六方晶系；所述的底层原子层中每个向底层突出的铋原子沿垂直于中间原子层方向上连接一个硫属原子；其中顶层原子层、底层原子层的硫属原子呈现交错平行的方式修饰在中间原子层的铋原子层上。
[0008]本专利技术的层状材料，包括中间铋原子层，顶层和底层硫属原子层。其中，根据中间铋原子层上下表面，即顶层和底层修饰硫属原子是否相同，将铋基硫属化合物分为两种：一种是铋原子层上下表面均修饰相同硫属原子的Bi2X2层状材料，另一种是在铋原子上下表面
修饰不同硫属原子的Bi2XX
′
层状材料。利用铋原子层上下表面修饰硫属原子自身的电负性绝对值大小调节铋基硫属化合物的带隙；利用铋原子层上下表面修饰硫属原子的电负性差值大小调节铋基硫属化合物的自旋极化率；与此同时，铋原子层上下表面硫属原子的种类和排布方式也决定了铋基硫属化合物层状材料的光吸收强度和吸收峰波长范围。所述的铋基硫属化合物层状材料中，中间原子层由铋原子共价连接的椅式六元环重复连接组成，属六方晶系；每个向顶层突出的铋原子沿垂直于中间原子层方向上连接一个硫属原子；每个向底层突出的铋原子沿垂直于中间原子层方向上连接一个硫属原子；其中顶层原子层、底层原子层的硫属原子呈现交错平行的方式修饰在中间原子层的铋原子层上。
[0009]进一步，所述的材料中，在铋原子层的上下表面分别修饰氧原子和碲原子形成Bi2OTe层状材料，该层状材料的晶格参数为整个层状材料宏观来看其中心对称性和镜面对称性被破坏。
[0010]进一步，所述的材料中，在铋原子层的上下表面分别修饰氧原子和硫原子形成Bi2OS层状材料，该层状材料的晶格参数为整个层状材料宏观来看其中心对称性和镜面对称性被破坏。
[0011]进一步，所述的材料中，在铋原子层的上下表面分别修饰氧原子和硒原子形成Bi2OSe层状材料，该层状材料的晶格参数为整个层状材料宏观来看其中心对称性和镜面对称性被破坏。
[0012]进一步，所述的材料中，在铋原子层的上下表面分别修饰硫原子和硒原子形成Bi2SSe层状材料，该层状材料的晶格参数为整个层状材料宏观来看其中心对称性和镜面对称性被破坏。
[0013]进一步，所述的材料中，在铋原子层的上下表面分别修饰硫原子和碲原子形成Bi2STe层状材料，该层状材料的晶格参数为整个层状材料宏观来看其中心对称性和镜面对称性被破坏。
[0014]进一步，所述的材料中，在铋原子层的上下表面分别修饰硒原子和碲原子形成Bi2SeTe层状材料，该层状材料的晶格参数为整个层状材料宏观来看其中心对称性和镜面对称性被破坏。
[0015]进一步，所述的材料中，在铋原子层的上下表面均修饰氧原子形成Bi2O2层状材料，该层状材料的晶格参数为整个层状材料宏观来看具有中心对称性和两个垂直方向上的镜面对称性，材料的自旋极化特性消除，具备0.51eV的间接带隙。在铋原子层的上下表面均修饰氧原子形成Bi2O2层状材料不具备自旋极化，但带隙可调。
[0016]或者在所述的材料中，在铋原子层的上下表面均修饰硫原子形成Bi2S2层状材料，该层状材料的晶格参数为整个层状材料宏观来看具有中心对称性和两个垂直方向上的镜面对称性，材料的自旋极化特性消除，具备0.33eV的间接带隙。在铋原子层的上下表面均修饰硫原子形成Bi2S2层状材料不具备自旋极化，但带隙可调。
[0017]进一步，所述的材料中，在铋原子层的上下表面均修饰硒原子形成Bi2Se2层状材料，该层状材料的晶格参数为整个层状材料宏观来看具有中心对称性和两个垂直方向上的镜面对称性，材料的自旋极化特性消除，具备0.25eV的直接带隙。在铋原子层的上下表面均修饰硒原子形成Bi2Se2层状材料不具备自旋极化，但带隙可调。
[0018]或者在所述的材料中，在铋原子层的上下表面均修饰碲原子形成Bi2Te2层状材料，该层状材料的晶格参数为整个层状材料宏观来看具有中心对称性和两个垂直方向上的镜面对称性，材料的自旋极化特性消除，带隙消除，呈半金属性。在铋原子层的上下表面均修饰碲原子形成Bi2Te2层状材料不具备自旋极化，但带隙可调。
[0019]在铋原子层上下表面修饰硫属原子的层状材料，其特征在于，硫属原子的种类和在铋原子层上的分布位置决定铋基硫属化合物层状材料的吸收光强度和吸收光波长；具体的方法为：
[0020]步骤一、建立铋原子上下表面均修饰相同硫属原子(包括O、S、Se、Te)的Bi2X2晶胞模型：采用PBE
‑
GGA泛函，利用广义梯度近似方法计算Bi2X2晶胞中的Bi、O、S、Se、Te原子的电子交换关联势，优化各种Bi2X2的晶胞结构至原子间力小于晶格张力小于5.0
×
10
‑3GPa；
[0021]步骤二、建立铋原子上下表面修饰不同硫属原子本文档来自技高网...
【技术保护点】
【技术特征摘要】
1.一种自旋极化和带隙可调的铋基硫属化合物层状材料，其特征在于，所述的材料包括顶层原子层、中间原子层、底层原子层；所述的顶层原子层中每个向顶层突出的铋原子沿垂直于中间原子层方向上连接一个硫属原子；所述的中间原子层由铋原子共价连接的椅式六元环重复连接组成，属六方晶系；所述的底层原子层中每个向底层突出的铋原子沿垂直于中间原子层方向上连接一个硫属原子；其中顶层原子层、底层原子层的硫属原子呈现交错平行的方式修饰在中间原子层的铋原子层上。2.根据权利要求1所述的一种自旋极化可调的铋基硫属化合物层状材料，其特征在于，根据中间铋原子层上下表面，即顶层和底层修饰硫属原子是否相同，将铋基硫属化合物分为两种：一种是铋原子层上下表面均修饰相同硫属原子的Bi2X2层状材料，另一种是在铋原子上下表面修饰不同硫属原子的Bi2XX
′
层状材料；利用铋原子层上下表面修饰硫属原子自身的电负性绝对值大小调节铋基硫属化合物的带隙；利用铋原子层上下表面修饰硫属原子的电负性差值大小调节铋基硫属化合物的自旋极化率；与此同时，铋原子层上下表面硫属原子的种类和排布方式决定铋基硫属化合物层状材料的光吸收强度和吸收峰波长范围。3.根据权利要求2所述的一种自旋极化可调的铋基硫属化合物层状材料，其特征在于，所述的材料中，在铋原子层的上下表面分别修饰氧原子和碲原子形成Bi2OTe层状材料，该层状材料的晶格参数为整个层状材料宏观来看其中心对称性和镜面对称性被破坏；或者在所述的材料中，在铋原子层的上下表面分别修饰氧原子和硫原子形成Bi2OS层状材料，该层状材料的晶格参数为整个层状材料宏观来看其中心对称性和镜面对称性被破坏。4.根据权利要求2所述的一种自旋极化可调的铋基硫属化合物层状材料，其特征在于，所述的材料中，在铋原子层的上下表面分别修饰氧原子和硒原子形成Bi2OSe层状材料，该层状材料的晶格参数为整个层状材料宏观来看其中心对称性和镜面对称性被破坏。5.根据权利要求2所述的一种自旋极化可调的铋基硫属化合物层状材料，其特征在于，所述的材料中，在铋原子层的上下表面分别修饰硫原子和硒原子形成Bi2SSe层状材料，该层状材料的晶格参数为整个层状材料宏观来看其中心对称性和镜面对称性被破坏。6.根据权利要求2所述的一种自旋极化可调的铋基硫属化合物层状材料，其特征在于，所述的材料中，在铋原子层的上下表面分别修饰硫原子和碲原子形成Bi2STe层状材料，该层状材料的晶格参数为整个层状材料宏观来看其中心对称性和镜面对称性被破坏。7.根据权利要求2所述的一种自旋极化可调的铋基硫属化合物层状材料，其特征在于，所述的材料中，在铋原子层的上下表面分别修饰硒原子和碲原子形成Bi2SeTe层状材料，该层状材料的晶格参数为整个层状材...
【专利技术属性】
技术研发人员：贺园园，程娜，赵健伟，
申请(专利权)人：嘉兴学院，
类型：发明
国别省市：
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