近日，光场调控研究团队逯美红教授和张凡教授在二维过渡金属硫族化合物钌掺杂改性理论研究方面取得重要进展。研究团队采用基于密度泛函理论的第一性原理计算方法，系统构建多尺度超晶胞模型，对比研究Ru分别替换Mo、S两种掺杂位点及多梯度掺杂浓度下单层MoS₂的晶体稳定性、电子结构、自旋磁性与光学响应差异化调控规律，阐明不同掺杂模式的微观物理机制，为二维自旋光电器件、红外探测器、光伏电池设计提供理论支撑。相关成果以《Ru掺杂对单层MoS₂电子结构、磁性与光学性质的影响》为题发表于国内重要物理期刊《物理学报》2026年第12期。逯美红为论文第一和通讯作者，长治学院张凡、河北工程大学邸志玲为合作作者。

图 1 本征单层 MoS₂与不同位点、不同浓度 Ru 掺杂体系晶体结构及布里渊区路径

单层二硫化钼是典型直接带隙二维半导体，在光电传感、光催化领域具备巨大应用潜力，掺杂是精准调控其光电、自旋磁性的核心手段。现有Ru掺杂MoS₂研究多局限于Ru替换S单一位点，缺少对Ru替换Mo体系的系统对比，同时对不同掺杂浓度带来的能带、磁矩、光学性质影响及理论机理阐释不足，难以支撑光电子器件精准化设计。针对该瓶颈，团队分别搭建2×2、3×3、4×4多层超胞，构建 6.25%、11.1%、25% Ru-Mo 掺杂体系与 5.55%、12.5%、25% Ru-S 掺杂体系，通过 CASTEP 模块完成自旋极化第一性原理计算，结合形成能、能带、态密度、差分电荷密度、介电函数多维度分析揭示掺杂调控机理。

本征单层 MoS₂为无磁性直接带隙半导体，PBE 泛函计算带隙 1.724 eV。Ru替换 Mo 时属于施主掺杂，随浓度提升带隙持续收窄，11.1% 浓度下带隙完全闭合转变为n型金属，体系呈现弱磁性，总磁矩随掺杂浓度升高逐步降低，磁性来源于载流子填充引发的晶格极化；低浓度 Ru-Mo 掺杂热力学稳定，25%高浓度形成能为正，难以自发制备。Ru 替换 S 会在禁带引入Ru-4d/Mo-4d 杂化杂质能级，大幅降低电子跃迁能垒，5.55%、12.5%掺杂下保持窄带隙半导体特性，25% 浓度发生金属化；体系具有强自旋极化，总磁矩随掺杂浓度显著增大，磁矩主要局域于 Ru 原子，强磁性源于 Ru-4d 与 Mo-4d 轨道强耦合产生的自旋劈裂。光学性能方面，两类 Ru 掺杂均可增强材料可见—近红外光吸收、削弱紫外波段吸收，但响应机制完全不同。Ru-Mo 体系低能区介电响应随浓度大幅提升，特征吸收峰蓝移，由自由载流子 Drude 效应主导；Ru-S 体系介电响应强度更低，吸收特征峰红移，归因于自旋极化杂质能级降低带间跃迁能量。差分电荷密度结果直观证实，Ru 替换 Mo 时电荷积累集中在 Ru-S 键，Ru 替换 S 时 Ru 位点与周边 Mo 原子存在显著电荷转移，从微观层面解释了杂质能级、能带偏移的形成根源。

该研究系统揭示了掺杂位点、掺杂浓度对单层 MoS₂电子、磁、光学性能的差异化调控规律，弥补了现有研究仅关注单一掺杂位点的缺陷，为开发 MoS₂基红外光电探测器、自旋电子器件、太阳能电池提供全新掺杂改性思路。该研究得到山西省科技重大专项计划 “揭榜挂帅” 项目资助。

相关链接：DOI:10.7498/aps.75.20251754