[发明专利]一种二维过渡金属硫族化合物量子点的精确仿真方法

权利要求书

1.一种二维过渡金属硫族化合物量子点的精确仿真方法，其特征在于，采用紧束缚哈密顿量，对多种二维过渡金属硫族化合物量子点进行建模仿真，给出低温下自洽的量子点分立能级结构，指导自旋量子比特、能谷量子比特以及自旋-能谷量子比特的设计优化，具体步骤包括：

第一步，基于第一性原理的计算结果，确定二维过渡金属硫族化合物紧束缚模型的基矢电子轨道，拟合得到电子轨道跃迁积分能量，创建相应的参数表格；

第二步，根据量子点结构，建立二维材料层中的原子坐标；加入介电层和栅极部分，构建三维结构，划分以六面体为元胞的三维空间网格；

第三步，针对所述的二维材料层，基于紧束缚近似原理，加入最近邻、次近邻和第三近邻的原子轨道间电子跃迁积分，同时包含自旋-轨道相互作用和外磁场作用，构建相应的量子点完整哈密顿量；针对所述的三维结构，构建泊松方程的拉普拉斯算符和边界条件；

第四步，通过哈密顿量求解薛定谔方程，再通过计算波函数和费米-狄拉克分布得到电荷密度，由电荷密度求解泊松方程得到电势分布；得到的静电势以势能项反馈至薛定谔方程中，迭代计算得到更新的波函数和相应的电荷密度；

第五步，通过数值迭代方法重复进行第四步，直至前、后两次迭代计算得到的静电势差值低于0.1mV，终止迭代，得到电荷密度和静电势能的自洽解；

第六步，由第五步得到的自洽静电势能，通过求解哈密顿量本征值方法再次求解薛定谔方程，计算得到最终的量子点本征能级、塞曼劈裂、本征波函数和静态电荷密度分布；

第七步，通过泡利矩阵和实空间波函数，确定各分立能级的自旋分量；通过对波函数的傅立叶变换得到倒易空间中波函数分布，并确定各能级的能谷占据分量；

第八步，调控外加磁场，通过第六步得到的量子点本征能级、塞曼劈裂以及第七步得到的各能级自旋分量、能谷占据分量，计算材料的自旋/能谷朗德g因子，并进一步设计和定义K能谷双能级系统下的自旋量子比特、能谷量子比特和自旋-能谷量子比特，确定双能级系统的分立能量间隔；

第九步，采用解析方法对所述双能级系统进行拉比振荡动态仿真计算，得到相应的特征物理量。

2.根据权利要求1所述的二维过渡金属硫族化合物量子点的精确仿真方法，其特征在于，第一步所述的紧束缚模型考虑过渡金属d轨道贡献，并由密度泛函理论计算出能带，通过拟合得到d轨道间的跃迁积分，建立d轨道为基矢的紧束缚哈密顿量。

3.根据权利要求2所述的二维过渡金属硫族化合物量子点的精确仿真方法，其特征在于，所述紧束缚哈密顿量在最近邻原子的基础上，进一步考虑了次近邻和第三近邻原子的相互作用，从而精确地计算出单层二维过渡金属硫族化合物的直接能隙和K能谷导带/价带的带边能态分布。

4.根据权利要求2所述的二维过渡金属硫族化合物量子点的精确仿真方法，其特征在于，所述的紧束缚哈密顿量包含自旋轨道相互作用，计入外磁场作用和塞曼效应；同时加入Peierls相位，考虑轨道有效磁场的作用。

5.根据权利要求1所述的二维过渡金属硫族化合物量子点的精确仿真方法，其特征在于，第二步构建的三维结构从下到上依次为：底部栅极、下介电层、二维材料层、上介电层、上栅极；所述的上栅极为围成正三角形的三个栅极结构，或围成正方形的四个栅极结构。

6.根据权利要求1所述的二维过渡金属硫族化合物量子点的精确仿真方法，其特征在于，第三步所述的哈密顿量用于仿真单层二维过渡金属硫族化合物MoS₂，MoSe₂，MoTe₂，WS₂，WSe₂或WTe₂的六边形或三角形多栅静电学量子点、水平异质结量子点或含有空位原子缺陷量子点。

7.根据权利要求5所述的二维过渡金属硫族化合物量子点的精确仿真方法，其特征在于，第三步中求解泊松方程的边界条件为：两个栅极-介电层界面均采用Dirichlet边界条件；对于整个仿真区域上的各点，在沿着垂直于仿真区域的方向上采用Neumann边界条件，所述仿真区域为垂直于二维材料层且经过上栅极内边的平面。