摘 要：近年来，以石墨烯(graphene)、氮化硼、二硫化钼为代表的二维单层结构材料在实验上相继制备成功。已经证实石墨烯、氮化硼、二硫化钼分别具有半金属、绝缘体、半导体特性，但都没有磁性。而从应用的角度，人们希望出现具有磁性的二维单层材料，相关的研究和探索是目前的一个关注热点。本文通过第一性原理计算，系统考察了VX2 (X = S，Se) 单层的电子性质和磁性质。我们的研究发现，VX2单层材料显现出奇特的铁磁特性，提示了在二维原始单层材料中存在着磁性行为的可能性。计算还表明，当VX2单层材料发生层内均匀应变时，材料中的磁矩和磁耦合强度随着应变从-5%至5%的增大而迅速增加，其物理机制同应变下原子间相互作用的离子键-共价键转变有关。我们的研究成果对于非石墨烯类二维单层材料在纳米电子器件中的应用具有指导意义。59230

毕业论文关键词：密度泛函理论，可控磁性，VS2单层材料

Abstract: The electronic and magnetic properties of VX2 monolayers (X = S, Se) has been investigated using the density-functional theory. Our results show that VX2 monolayers exhibit exciting ferromagnetic behavior, providing evidence of the existence of magnetic behavior in pristine two-dimensional monolayers. Furthermore, isotropic strain can cause significant changes of the magnetic moments and strength of magnetic coupling which increase rapidly with increasing strain from 5% to 5% for VX2 monolayers. The strain-dependent magnetic moment is related with the strong ionic-covalent bonds. The present results reveal a new route to facilitate the design and implementation of two-dimensional monolayers in nanoelectronic devices.

Keywords: density functional theory，controllable magnetic，VS2 monolayer

1 引言 4

2 理论与方法 5

2.1 理论基础  5

2.1.1 密度泛函理论 5

2.1.2局域密度近似(LDA) 6

2.1.3广义梯度近似(GGA) 7

2.2 方案与方法7

2.2.1 密度泛函理论计算方案 7

2.2.2 计算方法 8

3 结果与讨论 9

4 结论  14

参考文献和注释  15

致谢16

1 引言

石墨稀（graphene）作为一种二维单层材料，具有蜂窝状的原子结构，其独特的电子性质、超高的力学强度和良好的柔韧性，让石墨烯比传统的硅基半导体更具竞争优势，已成为纳机电系统和柔性电子器件应用中的重要候选材料。[1-3]  在室温下，石墨烯的电子迁移率高达102 cm2V-1s-1，并且基本不受环境温度的影响，而载流子密度也达到了1012 cm-2。对于石墨烯的研究，已经在科学界和工业界引起了巨大反响，随着批量化生产以及大尺寸等难题的逐步突破，石墨烯的产业化应用步伐正在加快，商业化应用前景广阔。除了石墨烯，其它具有类似结构的二维单层材料，如BN、ZnO、过渡金属氧化物、过渡金属硫化物（TMDS），也因各自独特的性质而受到很大关注，并可能在新一代晶体管、光发射元件、储氢设备和自旋电子器件中具有重要应用。值得注意的是，大部分目前已发现的二维单层材料本身都没有磁性。虽然实验上已有多种方法（如添加过渡金属原子、点缺陷、非金属元素的吸附等，[4-6]）在二维单层材料中引入磁性，但所获得的磁性仍然存在着一些不尽如人意之处。对于在纳米电子学中的应用来说，通过以上这些方法在非磁性二维单层材料中引入磁性，无论是磁性的强度还是稳定性，都是很粗糙的，在实际应用中难以精确控制和大规模推广，这些无疑阻碍了二维单层材料在纳米电子器件中的应用和发展。此外，在高层次的应用中，通常要求材料的磁性可以通过诸如光、电场、应力应变等外界参数方便地进行调控。从这个意义上看，在二维单层材料中，获得稳定并且精确可控的磁性依然是科学界面临的一个重大挑战。