单层WSe₂缺陷驱动磁性与应变工程：第一性原理研究

摘要

利用第一性原理密度泛函理论（DFT），我们研究各种空位缺陷和双轴拉伸应变如何改变单层钨硒化物（WSe₂）结构、电子和磁性性质。移除两个钨原子（V_W2）或一个钨原子及其六个邻近硒原子（V_WSe6）分别诱导2 μB和6 μB磁矩，其中V_W2构型呈半金属特性。相反，单原子空位（V_Se、V_W）和双硒空位（V_Se-Se）保持非磁性半导体特性但引入杂质态缩窄带隙。高达7%双轴拉伸应变进一步调控带隙和磁矩，使非磁性V_W缺陷转化为高达4 μB磁性态。研究凸显缺陷工程与应变作为实现WSe₂磁性半导体的有力路径。

引言

单层过渡金属二硫属化物（TMDs）如WSe₂具备直接带隙（~1.6 eV）和高载流子迁移率（~250 cm²/Vs），成为下一代电子学和光电子学热门材料。但原始WSe₂本征非磁性，限制其自旋器件应用。缺陷——特别是空位——普遍存在于二维材料中，能深刻改变电子结构和磁性行为。先前研究显示石墨烯、MoS₂、BaTiO₃中空位可诱导磁性。应变工程是另一利器；单层WSe₂可承受>10%应变，实现带隙和磁性调控。本文用最先进DFT计算系统探讨空位缺陷与双轴拉伸应变对单层WSe₂的协同效应。

计算方法

所有计算用维也纳从头计算模拟包（VASP），PBE泛函和PAW赝势。平面波截断300 eV，5×5×1超胞用3×3×1 k点网格。结构弛豫至力<0.02 eV/Å，总能量收敛10⁻⁴ eV。双轴拉伸应变(ε)定义为ε=(c-c₀)/c₀×100%。形成能按E_form=E_defect-E_pristine+∑n_i u_i计算，u_i为原子化学势。

结果与讨论

原始单层WSe₂

弛豫1H-WSe₂结构显示W-W和W-Se键长3.31 Å和2.54 Å，符合实验。PBE带隙1.54 eV；HSE06给出更准确2.0 eV带隙，确认直接带隙半导体本质。

a 单层WSe₂俯视图和侧视图。b 能带结构和DOS；费米能级设0 eV。

空位诱导电子与磁性态

考察七种空位构型：单原子（V_Se、V_W）、双原子（V_Se-Se、V_Se2、V_W2）、较大复合体（V_WSe3、V_WSe6）。形成能显示单Se空位最易形成，大缺陷需更高能量输入。

电子结构分析揭示：V_Se、V_Se-Se、V_W、V_WSe3保持非磁性半导体但带隙缩减（分别1.18 eV、1.15 eV、0.18 eV、0.76 eV）。相反，V_W2呈半金属，展现0.19 eV少数自旋带隙和2 μB净磁矩。V_WSe6显示磁性半导体行为，6 μB磁矩和窄带隙。

V_Se至V_WSe6空位类型能带结构。蓝/红线：多数/少数自旋；费米能级0 eV。

投影态密度（PDOS）分析将杂质态归因于空位附近W d和Se p轨道。V_W2中Se p_x主导导带边缘，W d_{x²-y²}和d_{z²}塑造价带边缘。

各空位类型PDOS；NN_W和NN_Se表示最近邻原子。

双轴拉伸应变效应

对原始WSe₂施加0-7%双轴应变不诱导磁性，7%应变下带隙降至0.5 eV。缺陷体系中，应变系统性缩窄V_Se、V_Se-Se、V_WSe3带隙从~1.1 eV至0.5 eV、0.5 eV、0.3 eV。V_W、V_W2、V_WSe6应变下保持<0.2 eV带隙。

关键在于，拉伸应变将非磁性V_W缺陷转化为磁性态，>1%应变时磁矩达4 μB；V_W2和V_WSe6维持磁矩（6%应变内6 μB，7%降至4 μB）。自旋密度图证实磁性源于W及相邻Se原子。

所有空位类型在1%、4%、7%应变下能带结构。

a V_Se、V_Se-Se、V_WSe3带隙随应变变化。b V_W、V_W2、V_WSe6磁矩随应变变化。

0-7%应变下V_W、V_W2、V_WSe6自旋分辨电荷密度；黄=正自旋密度，青=负自旋密度。

结论

DFT研究证实空位工程结合双轴拉伸应变可将单层WSe₂从非磁性半导体转化为磁性半金属或磁性半导体。单Se和W空位缩减带隙但保持非磁性；双W空位和V_WSe6复合体引入可观磁矩（2 μB和6 μB）。拉伸应变进一步调控电子带隙和磁矩，为设计二维磁性半导体用于自旋电子学和谷电子学应用提供实用路径。