一种二维磁性半金属-半导体开关及其应力调控方法

本申请实施例涉及二维半导体材料性能调控，特别涉及一种二维磁性半金属-半导体开关及其应力调控方法。

背景技术：

1、摩尔定律已经失效，当前集成电路进入后摩尔时代，寻找新的半导体材料和技术来维持集成电路的发展显得非常迫切。二维材料具有原子级的厚度，可以极大程度地提升芯片的集成度。单层石墨烯自从被首次机械剥离之后引起了广泛的研究热潮，但是其缺少带隙，无法实现开关。单层黑磷具有1.9ev左右的带隙，并且具有较高的载流子迁移率，但是其易被氧化，不适合用于集成电路。二硫化硒作为一种性能稳定的二维半导体，具有2h和1t两种结构，其对应的能隙分别为2.2ev和1.5ev，可以实现电流信号的开关，在电子器件制造中具有重大的潜力。

2、电子不仅具有电荷属性，还具有自旋角动量，是电子的内秉属性，通过对电子移动引起的自旋流进行开发和操纵可以实现自旋电子学。在实际应用中如果能够对磁性半导体的磁性和导电性进行调控，将有利于实现新型的磁电子器件。中国发明专利号cn110066168a公布了一种应力稳定性良好的铁氧体及其制备方法，采用干压成型并经多次预压的方式，解决了现有技术中存在的铁氧体磁心应力稳定性差的技术问题，提供了一种应力稳定性良好的铁氧体，密度均匀，且密度大，具有高的应力稳定性和温度稳定性的特点。中国发明专利号cn110904417b公布了一种应力调控磁化强度的柔性外延fe4n薄膜及制备方法，对制备的柔性外延fen薄膜，通过弯曲产生的应力来调控磁化强度，最大磁化强度相对变化达到了120％，在柔性自旋电子学器件上具有重要应用价值。但是，上述这两种磁性材料均为三维体相结构，制约了其在自旋电子器件小型化应用中的可行性。

技术实现思路

1、本申请实施例提供一种二维磁性半金属-半导体开关及其应力调控方法，通过钒元素掺杂改变单层二硫化钒的电子结构，通过施加双轴应力进一步调控其电学和磁学性能。

2、为解决上述技术问题，第一方面，本申请实施例提供一种二维磁性半金属-半导体开关，包括锡原子层和硫原子层；锡原子层和硫原子层构成二硫化钒层；二硫化钒层中掺杂有钒原子；掺杂有钒原子的二硫化钒层转变为具有半金属特性的磁性材料。

3、在一些示例性实施例中，钒元素的掺杂浓度为4％。

4、在一些示例性实施例中，磁性材料的自旋向上的能带为金属态，磁性材料的自旋向下的能带为半导体态。

5、在一些示例性实施例中，磁性材料的带隙为1.28ev。

6、第二方面，本申请实施例提供了一种二维磁性半金属-半导体开关的应力调控方法，分别通过施加压缩应力、拉伸应力来调控磁性材料的电子结构；磁性材料为通过在二硫化钒层中替位掺杂钒元素得到的具有半金属特性的磁性材料。

7、在一些示例性实施例中，对磁性材料施加压缩应力时，磁性材料保持半金属体系的特性。

8、在一些示例性实施例中，对磁性材料施加压缩应力时，磁性材料自旋向上的能带为0，磁性材料自旋向下的能带带隙为1.20ev～1.30ev。

9、在一些示例性实施例中，对磁性材料施加拉伸应力时，磁性材料由半金属体系转变为半导体体系。

10、在一些示例性实施例中，对磁性材料施加压缩应力时，磁性材料自旋向上的能带带隙为0.15ev～0.20ev。

11、本申请实施例提供的技术方案至少具有以下优点：

12、本申请实施例提供一种二维磁性半金属-半导体开关及其应力调控方法，该二维磁性半金属-半导体开关包括锡原子层和硫原子层；锡原子层和硫原子层构成二硫化钒层；二硫化钒层中掺杂有钒原子；掺杂有钒原子的二硫化钒层转变为具有半金属特性的磁性材料。本申请通过钒元素掺杂改变单层二硫化钒的电子结构，通过施加双轴应力进一步调控其电学和磁学性能。

13、本申请的二维磁性半金属-半导体开关仅有三个原子层的厚度，将极大地减小电子元器件、自旋器件和集成电路的体积，降低功耗，通过极大的比表面积增强热耗散。本申请通过在二硫化钒层中掺杂钒元素得到具有半金属特性的磁性材料，该磁性材料具有体相材料所不具备的优异性能，比如零有效质量载流子、高迁移率及超高光学吸收率，在太阳能电池、柔性器件、磁电传感器、逻辑器件、磁性储能材料以及磁记录材料领域具有较大的潜力。

14、此外，本申请通过对该磁性材料施加双轴应力实现了从半金属态至半导体态的开关转变。本申请提供的二维磁性半金属-半导体开关及其应力调控方法，为二维磁性半金属材料-半导体材料的开关设计和制备提供依据，在自旋电子学器件小型化应用中具有广阔的前景，对后摩尔时代器件研发具有重要意义。

技术特征：

1.一种二维磁性半金属-半导体开关，其特征在于，包括：

2.根据权利要求1所述的二维磁性半金属-半导体开关，其特征在于，所述钒元素的掺杂浓度为4％。

3.根据权利要求1所述的二维磁性半金属-半导体开关，其特征在于，所述磁性材料的自旋向上的能带为金属态，所述磁性材料的自旋向下的能带为半导体态。

4.根据权利要求1所述的二维磁性半金属-半导体开关，其特征在于，所述磁性材料的带隙为1.28ev。

5.一种二维磁性半金属-半导体开关的应力调控方法，其特征在于，

6.根据权利要求5所述的二维磁性半金属-半导体开关的应力调控方法，其特征在于，对所述磁性材料施加压缩应力时，所述磁性材料保持半金属体系的特性。

7.根据权利要求5或6所述的二维磁性半金属-半导体开关的应力调控方法，其特征在于，对所述磁性材料施加压缩应力时，所述磁性材料自旋向上的能带为0，所述磁性材料自旋向下的能带带隙为1.20ev～1.30ev。

8.根据权利要求5所述的二维磁性半金属-半导体开关的应力调控方法，其特征在于，对所述磁性材料施加拉伸应力时，所述磁性材料由半金属体系转变为半导体体系。

9.根据权利要求8所述的二维磁性半金属-半导体开关的应力调控方法，其特征在于，对所述磁性材料施加压缩应力时，所述磁性材料自旋向上的能带带隙为0.15ev～0.20ev。

技术总结
本申请涉及二维半导体材料性能调控技术领域，特别涉及一种二维磁性半金属‑半导体开关及其应力调控方法，该二维磁性半金属‑半导体开关包括锡原子层和硫原子层；锡原子层和硫原子层构成二硫化钒层；二硫化钒层中掺杂有钒原子；掺杂有钒原子的二硫化钒层转变为具有半金属特性的磁性材料。本申请提供的二维磁性半金属‑半导体开关及其应力调控方法，通过钒元素掺杂改变单层二硫化钒的电子结构，通过施加双轴应力进一步调控其电学和磁学性能。

技术研发人员：田晓庆,段璟奕
受保护的技术使用者：深圳大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/15