碱土金属X%28X%3DBe%2CMg%2CCa和Sr%29掺杂二维SnS_%282%29材料的第一性原理研究.pdf

第41卷第4期2024年8 月J.At.Mol.Phys.,2024,41:046001(9pp)原子与分子物理学报JOURNAL OF ATOMIC AND MOLECULAR PHYSICS碱土金属X(X=Be,Mg,Ca和 Sr)掺杂二维SnS,材料的第一性原理研究Vol.41 No.4Aug.2024柏慧，梁前，钱国林，谢泉（贵州大学大数据与信息工程学院新型光电子材料与技术研究所，贵阳550 0 2 5）摘要：基于密度泛函理论的第一性原理研究质势平面波方法，计算了碱土金属X(X=Be,Mg,Ca和Sr)掺杂二维单层SnS,的电子结构、磁学性质和光学性质，结果表明:Sr i c h 条件下的体系相较于Sn-rich更稳定，能带结构表明：在Be掺杂后,SnS,体系从自旋向上通道和自旋向下通道完全对称的非磁性半导体转变为具有1.999磁矩的磁性半导体，在Mg掺杂后，体系转变为非磁性P型半导体;Ca和Sr两种掺杂体系由于极化程度的不同，导致在下自旋通道的能带穿过费米能级，而在上自旋通道的能带并未穿过费米能级,呈现出磁矩分别为1.97 3、2.0 0 0 g的半金属特性同时发现X(X=Be,Mg,Ca和Sr)掺杂后，掺杂体系实部静态介电常数大幅度增加，掺杂后的SnS,体系的极化能力增强，虚部数值在低能区明显变大，更适用于长波长光电器，Be,Mg,Ca和Sr掺杂不仅导致吸收边红移，而且提高了红外光区域的有效利用率.关键词：二维SnSz；电子结构；磁性；光学性质中图分类号：0 47 1First-principles study of alkaline earth metal X(X=Be,Mg,Ca and Sr)文献标识码：Adoped two-dimensional SnS,materialsDO1I:10.19855/j.1000-0364.2024.046001BAI Hui,LIANG Qian,QIAN Guo-Lin,XIE Quan(Institute of Advanced Optoelectronic Materials and Technology,College of Big Data and Information Engineering,Guizhou University,Guiyang 550025,China)Abstract:Based on the first-principles study of pseudopotential plane wave method,the electronic structures,magnetic properties and optical properties of alkaline earth metal X(X=Be,Mg,Ca and Sr)doped two-di-mensional(2D)SnS,monolayers were calculated.The results show that the systems under S-rich condition aremore stable than those under Sn-rich one,and the Ca and Sr doped systems have the smallest formation ener-gies of respectively-2.674 eV and-2.422 eV under S-rich condition.The band structures show that afterBe doping,the impurity levels appear in the spin-down channel near the Fermi level,which lead to the transi-tion of the SnS2 system from a completely symmetric non-magnetic semiconductor to a magnetic semiconductorwith a magnetic moment of 1.999 g.After Mg doping,the system transforms into a non-magnetic P-typesemiconductor.Due to the different polarization degrees of Ca and Sr doped systems,the band structure of thespin-down channel passes through the Fermi level,however,the energy band of the spin-up channel does notpass through the Fermi level,showing semi-metallic properties with magnetic moments of 1.973 and 2.000 g,respectively.At the same time,it is found that X doped systems exhibit excellent optical properties.The realpart of dielectric function is greatly increased,and the polarization ability is enhanced.The value of the imagi-nary part becomes significantly larger in the low-energy region,which is more suitable for long-wavelength op-收稿日期：2 0 2 2-10-18基金项目：贵州大学智能制造产教融合创新平台及研究生联合培养基地（2 0 2 0-52 0 0 0 0-8 3-0 1-32 40 6 1）作者简介：柏慧（1998 一），女，硕士研究生，主要从事新型光电子材料研究。E-mail：y t u i 99959 16 3.c o m通讯作者：谢泉.E-mail：q x i e g z u.e d u.c n046001-1第41卷toelectronic devices.Be,Mg,Ca,and Sr doped systems not only lead to a red-shift of the absorption edge,butalso improve the effective utilization in the infrared region.Key words:Two-dimensional SnS2;Electronic structure;Magnetism;Optical properties1 引 言自旋电子器件是国际上的研究热点，受到广泛的重视，与传统的半导体电子器件相比，自旋电子器件具有非挥发性、低功耗和高集成度等优点：二维材料在先进自旋电子器件应用中具有巨大的潜力，其中具有半金属性的二维材料，可以在自旋晶体管或逻辑开关中实现高的自旋注人效率近年来，随着石墨烯2 的剥离，VS2、Sn S2、WS,等具有特定带隙的二维层状过渡金属二硫化物由于其独特的电子和光学性质而引起了广泛的关注3-6 。SnS,作为典型的 IV-VI族过渡金属二硫化物，是一种无毒、低成本、环保、在自然界中含量丰富、以及在水电解过程中高度稳定的材料7-9，具有良好的电、光、磁性能等优点一些实验和理论研究证明了SnS2是一种出色的光催化材料10 、锂和钠离子电池的阳极材料,12 、以及高性能场效应晶体管的半导体材料13.Liu等人14 通过机械化学途径制备了一种具有立方Fd3m结构的新型SnS,多晶，发现立方结构的SnS,在用作锂电池的阳极材料时，表现出有趣的光电化学特性，以及良好的电化学特性Sun等人15 使用密度泛函理论研究了本征缺陷对单层SnS2的结构、电子和磁性能的影响，结果表明,Sn空位和S吸附缺陷可以诱导磁性2 0 17 年，Aamir等人16 利用密度泛函理论，研究了单层SnX,（X=S，Se)的晶格热导率和载流子迁移率，证明了SnS,具有超低的晶格热导率和超高的载流子迁移率，单层SnS,材料是用于热电应用的有前途的材料Xia等人17 采用第一性原理方法研究了V族和VII族原子掺杂的SnS,的电子结构、形成能和跃迁能级，通过使用V族原子（N、P和As)和VI族原子（F、C l、Br 和I)替换S原子，模拟SnS,中的n型和p型掺杂剂，结果表明：形成能和跃迁能级高度依赖于周期表中的原子序数，V族原子取代S原子可以在SnS,的禁带内产生较深的受主杂质能级，2 0 2 1年，Lin等人18 基于密度泛函的第一性原理方法，研究了本征 SnS2、Fe、C r 单掺SnS,和Fe与Cr共掺SnS,的磁性和光学性质结果表明：Fe、C r 单掺 SnS,的基态是自原子与分子物理学报旋极化的，产生的磁矩分别为1.99B和3.0 0 B：Fe、C r 掺杂的SnS,稀磁半导体是自旋电子器件领域的良好候选者，且Fe和Cr的掺杂可以弥补本征材料在红外区吸收的不足，Wang等人19 通过使用第一性原理计算研究了碱土金属原子掺杂AIP的电子和磁性，其中Ca、Sr 和Ba掺杂的 AIP表现出有趣的半金属特征以及室温铁磁性，碱土金属原子掺杂AIP化合物是用于新型自旋电子器件的非常有前途的材料稀磁半导体在自旋电子器件中具有巨大的潜力，在大多数情况下，可以通过磁性过渡金属掺杂非磁性半导体以获得稀磁半导体，但过渡金属可能会形成团簇或第二相，这不利于稀磁半导体的应用2 0,2 1 其次，根据先前的实验和理论研究，非磁性半导体可以通过掺杂碱土金属诱导出铁磁性2 2,2 3，了解碱土金属掺杂体系中的铁磁性机制有助于探索稀磁半导体的新领域碱土金属原子X(X=Be，M g，Ca 和Sr)掺杂SnS,还尚未有研究，因此，本文对二维SnS2进行替位式掺杂，研究碱土金属原子X（X=Be，Mg，C a 和 Sr)掺杂 SnS,体系的磁性、电子结构和光学性质，望能进一步了解非过渡金属掺杂的铁磁性机制，可为在电子自旋器件领域中的应用提供重要参考。2计算方法和模型本文的计算使用VASP（V ie n n a a b-in it io s im-ulation package)软件包2 4 和基于密度泛函理论2 5（D e n s i t y f u n c t i o n a l t h e o r y，D FT）的投影缀加波(Projected augmented wave,PAW）方法2 6 ，使用广义梯度近似（Generalized gradient approximation,GGA)的 Perdew-Burke-Ernzerhof(PBE)泛函形式来描述交换关联效应2 7 在晶格弛豫计算过程中，能量和力的收敛标准分别设置为110-eV和0.0 5eV/A，布里渊区积分计算采用991的K点网格，电子波函数以平面波形式展开，截止能量设置为40 0 eV.构建了一个包含2 7 个原子的331的SnS,单层超晶胞，本征SnS,包含8个Sn原子和19个S原子，并且使用2 0 A的真空层来消除层间的相互作用掺杂时，用碱土金属原子X(X=Be，M g，C a 和 Sr)替换 Sn原子.046001-2第4期第41卷3结果分析与讨论3.1丝结构与稳定性SnS,属于六角晶系，空间群为P3ml，是具有1.562eV间接带隙的非磁性半导体，每层有六角类石墨烯蜂窝状结构，两层S原子之间夹着Sn原子(SSn-S)，呈现出 D3h 对称性层与层之间存在弱耦合使得二维材料SnS,像石墨烯一样易剥离为单层，图1为碱土金属X（=Be，M g，C a 和Sr)掺杂单层SnS,的顶部和侧面图结构.(a)(b)图1矿碱土金属X（X=Be、M g、C a 或Sr）掺杂二维SnS,的结构（蓝色球代表 Sn原子，黄色球代表S原子，橙色球代表碱土金属X原子）：（a)俯视图；（b)侧视图Fig.1 Structure of alkaline earth metal X(X=Be,Mg,Ca or Sr)doped 2D SnS,(the blue balls representSn atoms,the yellow balls represent S atoms,andthe orange balls represent alkaline earth metal X at-oms):(a)top view;(b)side view.表1列出了优化后的晶格常数，Sn原子或掺杂原子X与最近邻S原子之间的键长dx-s，Sn 原子或掺杂原子X与最近邻的两个S原子之间的键角Os-x-s本征SnS,优化后的晶格常数和键长dx-s分别为0.37 0 nm和0.2 59nm，这和Ali等人2 8 的计算值(a=b=0.370 nm 和 dx-s=0.259nm）一致，表明本文的计算模型是合理的和可靠的随着 Be、M g、Ca 和 Sr原子的掺人，与本征结构相比，Be掺杂体系的键长减小，Mg、C a 和Sr掺杂体系的键长增大，从原子半径的角度分析，掺杂原子X与Sn原子存在原子半径差异（Be为0.113 nm，M g 为 0.16 0 nm，Ca 为0.197 nm,Sr为0.2 15nm，Sn 为0.158 nm），可看出键长随着原子半径的增大而增大。为了研究这些掺杂体系的结构稳定性，我们计算了形成能Ecm，通过使用以下表达式计算2 9.30 ：柏慧，等：碱土金属X(X=Be，M g，C a 和Sr)掺杂二维SnS,材料的第一性原理研究0.259(dsn-s)Be掺杂0.367Mg掺杂0.369Ca掺杂0.371Sr掺杂0.374SnSX第4期表1掺杂前后二维SnS,的体系优化后的晶格常数=b、键长dx-s、键角s-x-sTable 1 The optimized lattice constants =b,bond lengthsdx-s,bond angles Os-x-s of 2D Sns,before and af-ter doping.体系类型a=b/nm未掺杂0.370其中Eafier和Ebefore表示掺杂后的单层SnS,的总能量和本征SnS,的总能量，x和sn表示X和Sn原子的化学势，其中x的值等于其对应的块体结构中每个X原子的能量，当X=Be，M g，Ca 和Sr时，ux的计算值分别为3.7 54、-1.543、-1.999、-1.6 8 3e V，表2 列出了X原子化学势x、总能Etot和掺杂体系在Sn-rich和S-rich条件下计算的X掺杂单层SnS,的形成能，不同生长条件下，Sn原子的化学势sm定义如下30 ：sn=usm(Sn-rich)sn=Eto(SnS,)-Eo(Sz）（S-r i c h)(3)在Sn-rich条件下，usn等于体心立方结构中每个Sn原子的能量s，在S-rich条件下，sn为本征SnS,原胞的能量和 S2分子之间的能量差，%、Em（Sn s）和 Em（S）的值计算出来分别为-3.835、-13.2 48 和-6.7 16 eV.从表2 看出，X掺杂体系在 Sr i c h 的条件下的形成能是负的，说明掺杂过程是放热反应和自发的，且Ca和Sr掺杂体系在Sr i c h 条件下具有最小形成能，分别为-2.6 7 4eV和-2.42 2 eV.由形成能定义可知，Sr i c h 条件下的形成能比 Sn-rich 条件下的形成能小，表明Be、M g、C a 和 Sr掺杂 SnS,在 S-rich条件下更加容易形成.3.2石磁性质与电子结构3.2.1磁性质为了了解掺杂体系的磁性，本文计算了本征和掺杂二维SnS2体系的总磁矩Mtot和局部磁矩Mx表3列出了总磁矩Mtot，碱土金属掺杂原子X的局部磁矩Mx，与碱土金属近邻S原子的局部磁矩M和近邻Sn原子的局部磁矩Msn从表3可以看出，本征SnS,是无磁性的，除Mg掺杂体系仍然无046001-3dx-s/nm0.2370.2630.2800.291s-X-s/90.812(0s-x-s)90.43990.44392.54993.942(1)(2)第41卷表2 掺杂原子的化学势x、总能Erot和掺杂体系在 Sn-rich和S-rich条件下X掺杂二维SnS,的形成能Table 2 Chemical potentials x of doped atoms,total energiesEtot and formation energies of X-doped 2D SnS,un-der Sn-rich and S-rich conditions of doped sys-tems.体系类型ux/eV未掺杂Be掺杂Mg掺杂Ca掺杂Sr掺杂磁性外，其余三种掺杂体系都有磁性Be原子具有抗磁性，而其 Ca 和 Sr原子都具有顺磁矩，它们的局部磁矩分别为-0.0 36、0.0 19、0.0 2 3B，碱土金属Be、Ca 和 Sr原子掺杂二维SnS,体系总磁矩分别为1.999、1.97 3、2.0 0 0 B表3掺杂前后二维SnS体系的总磁矩、掺杂原子局部磁矩、与掺杂原子最近邻的S和Sn原子局部磁矩Table 3 The total magnetic moments,the local magnetic mo-ments of doped atoms,the local magnetic moments ofS and Sn atoms nearest to doped atoms of 2D SnS,systems before and after doping.体系类型Miot/B未掺杂Be掺杂Mg掺杂Ca掺杂Sr掺杂3.2.2能带结构从图2 本征SnS,的能带结构中可以看出，价带顶（Valence Band Maximum，VBM）位于高对称点I和M之间（值为-0.2 2 6 eV），而导带底(Conduction Band Minimum，CBM）位于M点（值为1.356 eV），故本征SnS,是带隙值为1.58 2 eV的间接带隙半导体，这接近于Yu等人34 计算的本征SnS,的带隙值(1.57 4eV)此外，本征SnSz的自旋向上和自旋向下通道完全对称，且两个通道都没有穿过费米能级，因此，SnS,是非磁性半导体.图3为碱土金属X掺杂二维SnS,材料的能带结构，掺杂原子的引人会产生空穴，从而导致掺原子与分子物理学报32Efom/eVErol/evS-rich-119.232-3.754-116.5011.543-116.022(-1.999-117.376-1.683116.807Mx/B1.9990.0361.9730.0192.0000.023第4期:E,=1:582eV1Sn-rich-20.0452.65-1.7760.9182.6740.0212.4220.273Ms/UBMsn/B0.2040.0070.1320.0060.1410.003046001-4-3图2本征SnS,能带结构(绿色代表上自旋能带，红色代表下自旋能带，蓝色虚线代表费米能级E,）Fig.2 The band structure of intrinsic SnS,(the greenlines represent the up-spin band structure,the red lines represent the down-spin bandstructure,and the blue dotted line representsthe Fermi level E,).杂体系引人受主能级从图3（a)Be掺杂体系可以发现，受主能级只出现在自旋向下部分，但是受主能级并没有穿过费米能级，自旋向上通道的导带底和价带顶都位于高对称点M处，具有1.569eV的直接带隙，呈现半导体特性，表明Be掺杂体系为磁性半导体图3（b）为Mg掺杂体系，Mg是受主杂质，能带结构的自旋向上和向下通道完全对称，费米能级穿过价带顶的杂质能级，整个体系为具有间接带隙1.6 11eV的P型半导体.图3（c)为Ca掺杂体系，图中显示，在自旋向下能带态中，受主能级穿过费米能级，而自旋向上通道表现出带隙为1.7 92 eV的半导体特性，所以Ca掺杂体系呈现半金属性：图3（d)为Sr掺杂体系，与Ca掺杂体系相同，两个自旋能带分别具有不同的导电特性，自旋向上通道具有1.805eV的间接带隙，呈现半导体特性因此Sr掺杂体系表现为半金属性，Ca掺杂体系和Sr掺杂体系是自旋电子器件的理想材料：3.2.3态密度为了进一步研究材料微观特性，我们计算了本征 SnS,和四种掺杂体系的总态密度（total densityof states，T D O S）和分波态密度（partial density ofstates，PD O S).能量范围为-3 3eV，费米能级由蓝色垂直虚线表示，并设置到零处：图4是本征SnS,的态密度图，由图可知，本征SnS价带费米能级附近的态密度主要由 S-3p和Sn-5p态所贡献，其中S-3p态轨道电子占据多数导带主MKMK厂第41卷3(a)2柏慧，等：碱土金属X(X=Be，M g，C a 和Sr)掺杂二维SnS,材料的第一性原理研究第4期3b2E,=1;569eVE,=1.611eV01-2-2-3323MKC厂MKMK3(d)2MKIE.-1.805eVF,=1.773 eV1-1-2-3厂图3掺杂体系能带结构（绿色为上自旋能带，红色为下自旋能带，蓝色虚线代表费米能级Ep）：（a)Be掺杂体系；（b)Mg掺杂体系；（c)Ca掺杂体系；（d)Sr掺杂体系Fig.3 The band structures of the doped systems(the green lines represent the spin-up band structure,the redlines represent the spin-down band structure,and the blue dotted line represents the Fermi level E,):(a)Be doped system;(b)Mg doped system;(c)Ca doped system;(d)Sr doped system.要由S-3p和Sn-5s态组成所贡献并且自旋向上和向下通道的态密度完全对称，因此，本征SnS,呈现非磁性半导体特征，与能带结构分析结果一致，图5（a)为Be掺杂体系，由图中可以清晰看出自旋向上和向下通道不对称，在费米能级附近呈现自旋劈裂，且两个通道均没有穿过费米能级，掺杂体系为磁性半导体图5（b）为Mg掺杂体系，Mg原子的掺人也在带隙中引入了具有S-3p轨道特征的缺陷态然而，可以看到自旋向上和自旋向下通道是完全对称的，Mg掺杂体系呈现P型半导体特征图5（c），（d)所示，Ca掺杂体系和Sr掺杂体系的上自旋通道和下自旋通道的态密度显示出不对称，且DOS的自旋向下通道穿过费米面，两个掺杂体系体现半金属性，掺杂体系的价带费米能级附近DOS大多数都是S原子贡献，导带主要由Sn-5s和S-3p态组成，其中Be、Ca和Sr掺杂原子在费米能级附近贡献很少，但它对相邻原子的影响很大，改变了他们的态密度-2-3MK厂MK046001-5厂4020-20-403.2sodd1.60.0-1.6-3.2-3图4本征SnS,的总态密度（TDOS）和分波态密度(PDOS)Fig.4 The total density of states(TDOS)and partialdensity of states(PDOS)of intrinsic SnS2.分布，导致大部分S-3p态和少量的Sn-5p态形成缺陷态这些缺陷态是自旋极化空穴态，这使MK-2厂-10Energy/evMKS-3p-Sn-5pSn-5s1-TDOS23第41卷4020原子与分子物理学报-TDOS4020第4期TDOS-20-403.21.6sodd0.0-1.6-3.2-34020-20-403.21.6sodd0.0-1.6-3.2-3图5掺杂体系的总态密度（TDOS）和分波态密度（PDOS）：（a)Be 掺杂体系；（b）M g 掺杂体系；（c)Ca掺杂体系；（d)Sr掺杂体系Fig.5 The total densities of states(TDOSs)and partial densities of states(PDOSs)of the doped systems:(a)Be doped system;(b)Mg doped system;(c)Ca doped system;(d)Sr doped system.得自旋向上和自旋向下TDOS不对称并导致自旋分裂，表现出磁性基态。3.3光学性质光学特性在半导体、固体燃料电池和气体传感器中起着重要的作用，且SnS,在光伏器件和光催化领域非常有前景35.36 ，所以探索碱土金属掺杂对二维SnS,光学性质的影响非常重要为了研究掺杂体系的光学性质，我们计算了掺杂前后SnS,的复介电函数、反射系数和吸收系数：介电函数的实部通常代表材料的存储电磁场的能力，虚部代表材料的损耗项复介电函数由(）=（）+i 2（）表示，（其中是角频率，8（）代表介电函数的实部，而8 2（）是介-20-403.2S-3p1.6soad*Sn-5p0.0Be-p-1.6Sn-5s-3.2-2_1-2-1S-3p-Sn-5pMg-2pSn-5s01EnergylevS-3pSn-5pCa-3dSn-5s01Energylev2TDOSsoad0.0-1.6-3.223046001-63-34020soal-20-403.21.6-3电函数的虚部)。图6 显示了碱土金属X掺杂体系的介电函数的实部和虚部当光子能量为OeV时对应的值为静态介电常数由图6(a)实部i（）可知，本征SnS,的静态介电常数i（0）为2.915.而Be、M g、Ca和Sr掺杂体系的静态介电常数i（O）分别为34.753、32.7 2 5、48.6 0 9、33.16 8，可以看出碱土金属X掺杂可以有效提高SnS,的实部静态介电常数8 i（O），其中Ca掺杂后的静态介电常数最大，X掺杂提高了SnS,复介电函数实部的电磁吸收能力从图中可以看出掺杂体系均有负值，8i（）0 表示为类金属行为且在该能量范围内吸收和反射过程占主导地位：由图6(b)虚部可知，本征SnS,材料在图中的能量范围内出现了两-2-2-1-10EnergylevS-3p*Sn-5pSr-4pSn-5s01Energylev12-TDOS233第41卷个介电峰，光子能量位置分别为3.95和4.7 5eV，在0 1.5eV能量范围内，本征SnS,虚部为0.在光子能量为0.1eV左右，掺杂体系都出现了明显的峰值，而在高能区，掺杂体系的曲线形状和强度几乎相同，表明碱土金属X对本征SnS,体系在低能区的光学性质有明显的影响，掺杂体系适合用于长波长光电器件。20(a)50164512403528.0080柏慧，等：碱土金属X(X=Be，M g，C a 和 Sr)掺杂二维SnS,材料的第一性原理研究0.050.10第4期体的趋势与本征相似，在能量为OeV时，掺杂体系反射系数明显提升，其中Ca 掺杂体系反射系数最大，为56.1%，随着能量增加，掺杂体系的反射系数逐渐变小：图7(b)为掺杂前后体系的吸收光谱，与本征相比，掺杂体系在低能区出现峰值，掺杂体系发生红移，可应用于远红外探测器。其中Ca掺杂体系在2 0.6 5eV和2 3.34eV处出现pure SnS,了峰值，Sr掺杂体系在2 5.0 9 eV和2 7.0 9 eV处-Bedoped Re-MgdopedRe-Cadoped Re-Srdoped Re出现了峰值，与本征相比，吸收光谱的范围得到了扩展。0.6(a)0.50.4pureSns,Bedoped一-Mgdoped-Cadoped-Srdoped4030(b)25201510500图6 本征SnS,掺杂前后的光学性质：（a)介电函数实部；（b)介电函数虚部Fig.6The optical properties of intrinsic SnS,be-fore and after doping:(a)the real part ofthe dielectric function;(b)the imaginarypart of the dielectric function.图7 显示了本征和掺杂体系的反射系数和吸收系数，吸收系数（）和反射系数 R(）的公式如下表示37 ;(0)=/2/G(0)+6(a)-(o)/2(4)(w)+j82(o)-181R(o)8(0)+j82(0)+1图7（a)为掺杂前后体系的反射光谱，从图中可看出本征SnS,分别在光子能量为3.97 eV、5.20eV、7.2 1e V 和9.19eV处出现峰值，此时反射系数分别为2 2.5%、2 5.5%、30.6%、17.2%而掺杂后的体系同样出现多个峰值，整0.312Energylev24Energylev34pureSnS,Bedoped Im-Mgdoped Im-Cadoped Im-Srdoped Im68(5)046001-7560.20.10.008(b)7(uo,ol)/uondiosav6543200图7 本征SnS,掺杂前后的光学性质：（a)反射系数；（b)吸收光谱图Fig.7The optical properties of intrinsic SnS,beforeand after doping:（a)r e f l e c t i o n c o e f f i c i e n t;(b)absorption spectrum.4结 论本文基于密度泛函理论的第一性原理计算方法研究了碱土金属X(X=Be，M g，Ca 和Sr)掺杂单层二维 SnS的电子结构、磁学性质和光学性质结果表明：Sr i c h 条件下的体系相较于Sn-rich更稳定，其中Ca和Sr掺杂体系在S-rich条件下具有最小形成能，分别为：-2.6 7 4eV和-2.422eV.在Be掺杂后，自旋向下通道在费米能551010Energy/ev1.00.50.00.00.51.01.52.01520Energy/ev15pureSns,Bedoped-Mgdoped-CadopedSrdoped25302035第41卷级附近呈现自旋劈裂，且受主能级没有穿过费米能级，导致SnS,体系从非磁性半导体转变为具有1.999g磁矩的磁性半导体，在Mg掺杂后，体系转变为非磁性P型半导体Ca和Sr两种掺杂体系两个自旋能带分别具有不同的导电特性，呈现出磁矩分别为1.97 3、2.0 0 0 g的半金属性，是自旋电子器件的理想材料掺杂前后SnS,均表现出优良的光学性质，与本征相比，掺杂体系的极化能力得到增强，所有掺杂情况下都观察到吸收边发生红移，从而增强了本征SnS2在红外区的光吸收能力，随着Ca和Sr原子的掺入，吸收光谱的范围得到了扩展，综上所述，碱土金属X掺杂体系在自旋电子学领域和光学领域中都具有广阔的应用前景。参考文献：1Ahn E C.2D materials for spintronic devicesJ.npj2D 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