面向谷电子学性质的 Sn 掺杂镉硫族化物基单层的设计

谷电子学利用谷指数或谷赝自旋来编码信息，已成为二维（2D）系统中具有广阔器件应用前景的热门研究领域。自旋轨道耦合（SOC）和反转对称性破缺导致能带在能量极值（谷）附近发生自旋分裂。为寻找可用于谷电子学的新型二维材料，我们从块体 CdX 闪锌矿结构的 (111) 表面设计了镉硫族化物（CdX，X = S、Se、Te）的六边形平面单层。能带结构研究显示价带在对称点为 K 及其时间反演共轭点 K$\textquotesingle$ 处存在局域极大值。施加 SOC 引发谷中的自旋分裂，解除能量简并并表现出强谷-自旋耦合特征。我们用 Sn 原子替代平面单层中的两个 Cd 原子，显著增大了自旋分裂。所有单层的构效、动力学、力学和热稳定性均得到确认。形成能数值表明，采用自下而上方法合成 Sn 掺杂的 CdSe 和 CdTe 单层可能是可行的。在 Sn 掺杂的 CdSe 和 CdTe 单层中，谷区域观察到塞曼型自旋分裂，$\Gamma$ 点观察到 Rashba 自旋分裂。所有 Sn 掺杂单层的贝里曲率值均大于原始单层。因此，这些新设计的单层被发现适用于谷电子学应用。Sn 掺杂单层在 Sn~$s$ 与 $p$ 以及 X~$p$ 态之间的价带和导带深处显示能带反转，但缺乏拓扑性质。