单层WSe2中能谷极化调控的理论研究开题报告

1. 研究目的与意义

研究背景： 二维材料具有很多新奇的物理性质，其一经发现就立即引起了凝聚态物理及材料科学领域研究者的极大的关注。石墨烯（graphene）是科学家最早发现的二维材料，其是由碳原子形成的具有蜂窝状六角晶格的二维单原子层结构，碳原子之间由σ键连接，结合方式为sp₂杂化。本征石墨烯没有能隙，属于半金属，其费米面附近具有线性的狄拉克能带色散关系，如果破缺石墨烯的空间反演对称性，则会使石墨烯的狄拉克能带打开能隙，并实现能谷霍尔效应（valleyhalleffect）。继石墨烯后，科学家发现了另外一种重要的二维材料，即二维过渡金属硫化物（tmd）。单层tmd为直接带隙半导体，具有和石墨烯类似的六角晶格结构，其价带顶和导带底都位于倒空间的k和k’谷处。由于本征单层tmd本身就是空间反演对称性破缺的材料，因此本征单层tmd就可实现能谷霍尔效应，在能谷电子学领域具有重要的科学研究和应用价值，并迅速的发展成为了继石墨烯后的另外一类热门二维材料体系。在二维过渡金属硫化物tmd中引入能谷极化是一个非常重要的研究方向，将极大的促进能谷霍尔效应的实验研究和实际应用进程。本论文以二维过渡金属硫化物中的重要成员单层wse₂为研究对象，通过密度泛函理论计算方法研究如何在单层wse₂中有效的引入能谷极化，为相关实验研究提供理论指导。

研究目的： 通过第一性原理方法计算研究单层wse₂的电子结构及能谷霍尔效应特性，并计算分析过渡金属原子掺杂及磁性衬底材料等方式对单层wse₂中的能谷极化的调控效应。

2. 研究内容和预期目标

研究内容： 首先，建立单层wse₂的原子结构模型，利用基于密度泛函理论的第一性原理计算方法研究本征单层wse₂的晶格结构及电子结构特征，并根据单层wse₂的能带结构及电子结构特性研究其能谷霍尔效应行为；通过过渡金属原子掺杂的方式，调控单层wse₂的能谷极化，选择合适的能够引起大的能谷极化的候选掺杂原子种类；选择合适的磁性绝缘体衬底材料，构建磁性绝缘体和单层wse₂形成的异质结材料体系，通过异质结电子结构的计算分析，研究磁性绝缘体衬底材料对wse₂中能谷极化的调控效应。

预期目标： 根据计算结果，分析得出过渡金属原子掺杂及磁性绝缘体衬底材料对wse₂中能谷极化的调控效应。

3. 研究的方法与步骤

研究方法： 利用vesta软件建立wse₂二维原子晶格结构模型；基于密度泛函理论的第一性原理方法研究二维原子晶格及异质结材料体系的晶格结构、电子结构、能带结构等。根据计算结果，分析本征单层wse₂中的能谷霍尔效应。最终通过过渡金属原子掺杂及磁性衬底材料等方式调控单层wse2中的能谷极化。

研究步骤： (1)根据老师给出的论文及相关资料（相关的文献书籍、图书馆数据库查阅的相关论文资料），了解论文课题的背景，研究的课题在应用方面的进展以及对未来其他领域的影响，构建单层wse₂二维原子晶格结构模型。

4. 参考文献

[1] xiao d, yao w, and niu q, valley-contrasting physics in graphene: magnetic moment and topological transport [j]. physical review letters, 2007, 99: 236809.

[2] zhong d, seyler k, linpeng x, cheng r, sivadas n, huang b, schmidgall e, taniguchi t, watanabe k, a. mcguire m, yao w, xiao d, c. fu k, and xu x d, van der waals engineering of ferromagnetic semiconductor heterostructures for spin and valleytronics [j]. science advances, 2017, 3: e1603113.

[3] zhang z, ni x, huang h, hu l, and liu f, valley splitting in the van der waals heterostructure wse2/cri3: the role of atom superposition [j]. physical review b, 2019, 99: 115441.

5. 计划与进度安排

(1) 2022-12-06～2022-03-01学生复习量子力学和固体物理等基础课程，学习密度泛函理论的基本知识；

(2) 2022-03-02～2022-03-08 调研有关能谷霍尔效应及二维wse2电子结构的相关文献资料，提出研究方案，完成开题报告，教师完成开题报告的审核。

(3) 2022-03-09～2022-04-10 学习晶体模型的建立方法；学习第一性原理计算软件包vasp的使用方法；用第一性原理方法计算本征二维单层wse2的电子结构性质，包括，晶格结构、能带结构、能谷霍尔效应等。