[發明專利]一種二維過渡金屬硫族化合物量子點的精確仿真方法

在審

• 申請號: 202210236146.0
• 申請日: 2022-03-11
• 公開（公告）號: CN114582437A
• 公開（公告）日: 2022-06-03
• 發明（設計）人: 張碩;尹文言
• 申請（專利權）人: 浙江大學
• 主分類號: G16C20/30
• 分類號: G16C20/30;G16C10/00;G06F30/23
• 代理公司: 杭州求是專利事務所有限公司 33200
• 代理人: 萬尾甜;韓介梅

1.一種二維過渡金屬硫族化合物量子點的精確仿真方法，其特征在于，采用緊束縛哈密頓量，對多種二維過渡金屬硫族化合物量子點進行建模仿真，給出低溫下自洽的量子點分立能級結構，指導自旋量子比特、能谷量子比特以及自旋-能谷量子比特的設計優化，具體步驟包括：

第一步，基于第一性原理的計算結果，確定二維過渡金屬硫族化合物緊束縛模型的基矢電子軌道，擬合得到電子軌道躍遷積分能量，創建相應的參數表格；

第二步，根據量子點結構，建立二維材料層中的原子坐標；加入介電層和柵極部分，構建三維結構，劃分以六面體為元胞的三維空間網格；

第三步，針對所述的二維材料層，基于緊束縛近似原理，加入最近鄰、次近鄰和第三近鄰的原子軌道間電子躍遷積分，同時包含自旋-軌道相互作用和外磁場作用，構建相應的量子點完整哈密頓量；針對所述的三維結構，構建泊松方程的拉普拉斯算符和邊界條件；

第四步，通過哈密頓量求解薛定諤方程，再通過計算波函數和費米-狄拉克分布得到電荷密度，由電荷密度求解泊松方程得到電勢分布；得到的靜電勢以勢能項反饋至薛定諤方程中，迭代計算得到更新的波函數和相應的電荷密度；

第五步，通過數值迭代方法重復進行第四步，直至前、后兩次迭代計算得到的靜電勢差值低于0.1mV，終止迭代，得到電荷密度和靜電勢能的自洽解；

第六步，由第五步得到的自洽靜電勢能，通過求解哈密頓量本征值方法再次求解薛定諤方程，計算得到最終的量子點本征能級、塞曼劈裂、本征波函數和靜態電荷密度分布；

第七步，通過泡利矩陣和實空間波函數，確定各分立能級的自旋分量；通過對波函數的傅立葉變換得到倒易空間中波函數分布，并確定各能級的能谷占據分量；

第八步，調控外加磁場，通過第六步得到的量子點本征能級、塞曼劈裂以及第七步得到的各能級自旋分量、能谷占據分量，計算材料的自旋/能谷朗德g因子，并進一步設計和定義K能谷雙能級系統下的自旋量子比特、能谷量子比特和自旋-能谷量子比特，確定雙能級系統的分立能量間隔；

第九步，采用解析方法對所述雙能級系統進行拉比振蕩動態仿真計算，得到相應的特征物理量。

2.根據權利要求1所述的二維過渡金屬硫族化合物量子點的精確仿真方法，其特征在于，第一步所述的緊束縛模型考慮過渡金屬d軌道貢獻，并由密度泛函理論計算出能帶，通過擬合得到d軌道間的躍遷積分，建立d軌道為基矢的緊束縛哈密頓量。

3.根據權利要求2所述的二維過渡金屬硫族化合物量子點的精確仿真方法，其特征在于，所述緊束縛哈密頓量在最近鄰原子的基礎上，進一步考慮了次近鄰和第三近鄰原子的相互作用，從而精確地計算出單層二維過渡金屬硫族化合物的直接能隙和K能谷導帶/價帶的帶邊能態分布。

4.根據權利要求2所述的二維過渡金屬硫族化合物量子點的精確仿真方法，其特征在于，所述的緊束縛哈密頓量包含自旋軌道相互作用，計入外磁場作用和塞曼效應；同時加入Peierls相位，考慮軌道有效磁場的作用。

5.根據權利要求1所述的二維過渡金屬硫族化合物量子點的精確仿真方法，其特征在于，第二步構建的三維結構從下到上依次為：底部柵極、下介電層、二維材料層、上介電層、上柵極；所述的上柵極為圍成正三角形的三個柵極結構，或圍成正方形的四個柵極結構。

6.根據權利要求1所述的二維過渡金屬硫族化合物量子點的精確仿真方法，其特征在于，第三步所述的哈密頓量用于仿真單層二維過渡金屬硫族化合物MoS₂，MoSe₂，MoTe₂，WS₂，WSe₂或WTe₂的六邊形或三角形多柵靜電學量子點、水平異質結量子點或含有空位原子缺陷量子點。

7.根據權利要求5所述的二維過渡金屬硫族化合物量子點的精確仿真方法，其特征在于，第三步中求解泊松方程的邊界條件為：兩個柵極-介電層界面均采用Dirichlet邊界條件；對于整個仿真區域上的各點，在沿著垂直于仿真區域的方向上采用Neumann邊界條件，所述仿真區域為垂直于二維材料層且經過上柵極內邊的平面。