稀磁半導(dǎo)體及二元半金屬鐵磁體的第一性原理研究.pdf

1、半導(dǎo)體中的自旋流注入是實現(xiàn)半導(dǎo)體自旋電子器件的關(guān)鍵，探尋在室溫下對傳統(tǒng)半導(dǎo)體高效自旋注入的新型材料是最重要也是最富有挑戰(zhàn)性的問題。目前，探尋引入自旋流新材料的研究主要有集中在稀磁半導(dǎo)體及半金屬鐵磁體兩方面。稀磁半導(dǎo)體是指在常規(guī)半導(dǎo)體中摻入磁性元素，使半導(dǎo)體具有自旋極化特征，從而產(chǎn)生自旋流。而半金屬鐵磁體具有100％的自旋極化率，外延生長在半導(dǎo)體上能作為自旋流注入源。同時，第一性原理計算方法作為一種不需要任何經(jīng)驗參數(shù)的理論計算方法，能在電

2、子結(jié)構(gòu)層次上分析材料各種性能的微觀起源，解釋實驗現(xiàn)象，同時還能對材料的性能進(jìn)行相關(guān)預(yù)測，起到指導(dǎo)實驗的作用，越來越受到材料科研工作者的重視。 本論文利用第一性原理計算方法對ZnO：Cu，TiO2：V兩類稀磁半導(dǎo)體以及二元V基Zinc—blende型半金屬鐵磁體進(jìn)行了理論研究。在對稀磁半導(dǎo)體的研究中，我們除了研究過渡金屬原子間的磁性相互作用外，還利用計算缺陷形成能的方法，對磁性原子摻入的可能性及過渡原子的價態(tài)對其磁性的影響進(jìn)行了討

3、論。而這又涉及制備樣品的環(huán)境及樣品的電導(dǎo)極性，通過我們的計算能對樣品的制備提出相關(guān)建議及意見。在V基ZB型半金屬鐵磁體中，我們采用了二維應(yīng)力模型，對外延生在半金屬的電子結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性和幾何結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性做了相關(guān)討論。 論文的主要安排如下，在第一章中，我們對稀磁半導(dǎo)體及半金屬鐵磁體的研究現(xiàn)狀進(jìn)行了介紹。第二章主要介紹第一性原理計算的理論基礎(chǔ)。 第三章主要介紹ZnO：Cu的研究結(jié)果。我們利用72個原子的超晶胞計算了Cu摻入ZnO的缺

4、陷形成能。發(fā)現(xiàn)CuZn在富氧態(tài)情況下具有較低的形成能，表明可以有較大量的Cu替代到Zn上。費米能級在p型區(qū)域時，Cu易形成+2價，超晶胞具有1μB/Cu的磁矩。而費米能級在n型區(qū)域時，Cu易于形成+1價，沒有磁矩。Cu本身是一個弱p型雜質(zhì)，在富氧態(tài)時，能使費米能級來到p型區(qū)域，而在富金屬態(tài)時，由于其它n—型本征缺陷（Zni，Vo）形成能較低，費米能級依然在n型區(qū)域。在超晶胞計算2個Cu2+原子之間的磁性耦合關(guān)系，Cu2+之間的磁性耦合關(guān)

5、系為短程且具有一定方向性的鐵磁性耦合關(guān)系，其磁性來源于p—d跳躍相互作用。這就說明p—型的ZnO：Cu具有磁性，而n—型的ZnO：Cu沒有磁性，解決了實驗上的矛盾爭端。進(jìn)一步我們還計算了3個Cu2+原子在超晶胞中的分布構(gòu)型及磁性耦合關(guān)系，發(fā)現(xiàn)Cu2+有聚在一起形成Cu—O—Cu的趨勢，并且保持鐵磁性關(guān)系，這與實驗報道相一致。 第四章主要介紹TiO2：V的研究結(jié)果。我們利用48個原子的超晶胞計算了V摻入TiO2的缺陷形成能。富金屬

6、態(tài)較富氧態(tài)時，VTi有更低的形成能，表明V更容易替代到TiO2中的Ti晶格上。費米能級在p型區(qū)域時，V易形成+5價，由于其沒有d電子而不具有磁矩。而費米能級在n型區(qū)域時，V易形成+4及+3價，超晶胞分別具有0.938μB和1.644μB的磁矩，這與V原子擁有的d電子數(shù)目較為一致。V4+對與V3+對均保持鐵磁性耦合關(guān)系，其磁性來源于p—d跳躍相互作用。這就說明p型TiO2：V樣品不具有磁性，而n型樣品具有磁性。同樣我們計算了n型共摻雜元素

7、F，Cl及p型共摻雜元素N摻入TiO2中的形成能，同樣在富金屬態(tài)它們替代氧的形成能較低，這意味著V與共摻雜元素能在富金屬態(tài)時能共同摻入TiO2中。F與Cl能使V穩(wěn)定到+3價，使樣品磁性加強(qiáng)，而N使V穩(wěn)定到+5價，將使樣品的磁性消失。 第五章主要介紹二元V基Zinc—blende型半金屬鐵磁體的研究結(jié)果。在對其模擬中，我們采用更接近外延生長實驗的二維應(yīng)力模型，對其電子結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性及幾何結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性進(jìn)行了討論。在電子結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性方面，二元

8、V基ZB型化合物基本滿足鐵磁性耦合條件，但只有VSe，VTe，及VAs在我們所考慮的襯底范圍基本保持半金屬性，襯底晶格常數(shù)變化對自旋翻轉(zhuǎn)帶的影響不大。在幾何結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性方面，我們設(shè)計了界面最優(yōu)匹配模型，對其基態(tài)NiAs結(jié)構(gòu)與半導(dǎo)體襯底的匹配進(jìn)行了前期預(yù)測。二元V基化合物的ZB結(jié)構(gòu)外延能量始終高于使用最優(yōu)匹配模型的NiAs型結(jié)構(gòu)的外延能量，其幾何結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性難于滿足，意味著難以在ZB型半導(dǎo)體襯底上生長獲得較厚的ZB型半金屬薄膜。對其他文獻(xiàn)報道