《ACS Sensors》：二维g-C4N3/MoS2功能性器件自旋输运和气敏性的第一性原理计算

撰稿|由课题组供稿

二维磁性层状材料的超薄膜和集成的各类范德瓦尔斯异质结由于其新奇的物理特性而引起了极大的兴趣，同时为磁性纳米器件的发展提供了新的机遇。利用双层或多层二维材料的耦合优势，异质结在广泛的半导体物理和器件应用中蓬勃发展，包括半导体场效应晶体管、二维超导体、光电子器件和低维开关器件等。对于低维材料，分离的自旋自由度可以表现出奇异的物理现象，并可以较为容易地在很大范围内调节其物理性质。通过自旋操纵技术的不断改进，大量二维范德瓦尔斯异质结构似乎有望通过电子自旋注射和操纵技术应用于自旋电子学，因而对功能性二维磁性异质结的研究和新概念纳米器件的设计能有效促进新技术的发展。诱导电子的稳定自旋分离甚至实现半金属性质是二维磁性异质结材料研究的关键，其挑战在于实现二维材料费米能级附近能带自旋分裂的调控，这主要依赖于外部施加的电场、应变工程和分子吸附或硼氮掺杂等技术。然而，外部调控会导致操作变得复杂和困难，这与当前的制造技术不兼容，从而影响自旋电子学器件的进一步应用。因此，具有优异半金属丰度电子特性的新材料将是理想的候选者。

二维磁性材料是新一代自旋电子学技术和发展多功能器件工程的关键，江西理工大学能源与机械工程学院陈铜副教授团队利用密度泛函理论和非平衡格林函数方法研究了二维g-C₄N₃/MoS₂范德瓦尔斯异质结的电子结构性质、自旋相关输运和气敏特性。结果表明本征g-C₄N₃/MoS₂ 范德瓦尔斯异质结的电子结构展示了铁磁半金属性和对气体分子的优异吸附能力，而g-C₄N₃/MoS₂基二维纳米器件的自旋电子输运明显受电极中的平行或反平行自旋构型的调控，导致具有接近100%自旋分离效率、负微分电阻效应等奇特的电子输运现象的完美单自旋传导行为。此外，g-C₄N₃/MoS₂在偏置窗口下表现出方向依赖性和明显的输运各向异性行为，感应电流沿二维器件的垂直方向相比水平方向更容易传输，并通过局域器件态密度结合偏压-输运相关的透射谱相图进一步揭示和分析了自旋器件的内在物理机制。最后，由于强化学吸附导致电子在局部散射中心形成，并最终影响传输特性，而基于g-C₄N₃/MoS₂的气体传感器对化学吸附型的CO、NO、NO₂和NH₃分子更敏感，因而在0.8V的偏压下，通过第一性原理测得NO的最大气体灵敏度可达6.45。这项工作不仅揭示了g-C₄N₃/MoS₂异质结作为一种有前途的二维材料具有显著的各向异性，完美的自旋分离特性和出色的气体敏感性，也为未来多功能二维纳米器件的进一步应用提供了一个新的研究视角。

图1 (a) g-C4N3/MoS2异质结模型，(b) 自旋分辨能带结构，(c) 投影能带图，(d)投影各原子轨道的自旋分辨态密度

图2 (a) 偏压窗口内P和AP自旋配置下g-C₄N₃/MoS₂基自旋器件的自旋滤波率，(b) 自旋向上和向下电子态的偏压-输运相关透射谱。

图3 (a) 沿气体传感器水平和垂直方向的IV曲线。(b) 气体传感器的模型图。(c) g-C₄N₃/MoS₂基器对不同气体的气敏性。

结果表明，g-C₄N₃/MoS₂范德瓦尔斯异质结表现出半金属性质，其中自旋下降电子穿越费米能级，而自旋上升电子表现出半导体性质。对于g-C₄N₃/MoS₂基纳米器件，传输方向的强各向异性体现在沿垂直方向的感应电流明显大于水平方向，自旋电流显示出完美的单自旋传导行为，具有接近100%的自旋滤波率、NDR效应和其他优异的自旋电子传输性能。气敏分析表明，CH₄、H₂S和SO₂三种气体为物理吸附，而CO、NO、NO₂和NH₃为化学吸附，不同类型的吸附可以用ELF、Bader电荷和差分电荷密度来验证。此外，设计的g-C₄N₃/MoS₂气体传感器对CO、NO、NO₂和NH₃分子尤其是NO敏感，最大气体灵敏度可以在0.8V偏压下达到6.45。因此，基于g-C₄N₃/MoS₂的气体传感器非常适合在复杂精密的环境中检测NO气体分子。总之，二维g-C₄N₃/MoS₂范德瓦尔斯异质结在自旋纳米器件和气体传感器中具有很大的应用前景。

本论文以江西理工大学为论文第一单位，能机学院研究生董先声为第一作者，江西理工大学陈铜副教授、湖南师范大学周光辉教授、中南大学龙孟秋教授为通讯作者共同完成，以“Multifunctional 2D g-C₄N₃/MoS₂ vdW heterostructure based nanodevices: spin-filtering and gas sensing properties”标题发表在国际知名期刊ACS Sensors（SCI 1区，top期刊，IF=9.618）。

文章链接：

https://pubs.acs.org/doi/pdf/10.1021/acssensors.2c01785