缺陷與應(yīng)變調(diào)制ZnO和In2O3半導(dǎo)體d0鐵磁性的第一原理計(jì)算研究.pdf

1、寬禁帶的氧化物半導(dǎo)體是一類重要的半導(dǎo)體自旋電子器件材料。長期以來，科研工作者的研究興趣主要集中在過渡金屬或磁性陽離子摻雜的傳統(tǒng)半導(dǎo)體和寬禁帶氧化物半導(dǎo)體材料的光催化與光電子特性方面。近十年，人們發(fā)現(xiàn)一些非磁性半導(dǎo)體材料，特別是非磁性氧化物半導(dǎo)體材料，即使在未摻入磁性雜質(zhì)的前提下，也具有室溫鐵磁性，并且還有可能具有很高的居里溫度(Tc)。2005年，英國皇家科學(xué)院院士Coey把這類鐵磁性命名為“d0-鐵磁性”。此類材料的電子結(jié)構(gòu)和磁學(xué)性質(zhì)

2、引起了人們的廣泛關(guān)注，但是非磁性氧化物半導(dǎo)體中的d0-鐵磁性起源一直以來都存在爭議，因此，有必要對缺陷與摻雜誘導(dǎo)的非磁性氧化物半導(dǎo)體向鐵磁性半導(dǎo)體的轉(zhuǎn)變其機(jī)制進(jìn)行比較深入的研究。
　　 本論文采用第一原理計(jì)算方法，以透明導(dǎo)電氧化物半導(dǎo)體ZnO和In2O3為研究對象，通過引入缺陷和C原子摻雜，考察了本征缺陷與非磁性摻雜對氧化物半導(dǎo)體電子結(jié)構(gòu)和d0鐵磁性的影響，并從理論上探討了其磁性交換機(jī)制和d0鐵磁性的起源，分析了懸掛鍵在In2O

3、3量子點(diǎn)中的作用，進(jìn)而探索了應(yīng)力與應(yīng)變條件下In2O3:C體系的自旋開關(guān)特性。主要的研究工作如下:
　　 (1)通過計(jì)算分別研究了僅含本征缺陷的ZnO和In2O3晶體的電子結(jié)構(gòu)與磁屬性。電子結(jié)構(gòu)的結(jié)果顯示:本征P型缺陷誘導(dǎo)的空穴導(dǎo)致在氧離子位置呈現(xiàn)出各向異性的空間態(tài)密度分布，而本征N型缺陷誘導(dǎo)的電子則導(dǎo)致在氧離子位置呈現(xiàn)出各向同性的空間態(tài)密度分布，且具有類S軌道的特點(diǎn)。在未摻雜磁性離子的情況下，P型缺陷誘導(dǎo)的空穴載流子能夠自旋極

4、化，并誘導(dǎo)磁矩，而電子載流子沒有自旋極化。說明本征P型缺陷對純凈ZnO和In2O3 d0鐵磁性的調(diào)節(jié)起著關(guān)鍵作用，而其中陽離子空位與氧離子間隙又是未摻雜ZnO和In2O3 d0鐵磁性的主要來源。
　　 (2)基于密度泛函理論第一性原理計(jì)算方法，我們研究了通過施-受主復(fù)合補(bǔ)償?shù)姆椒▉硖岣吆瑥?fù)合缺陷ZnO的形成能力與結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，從而達(dá)到穩(wěn)定空穴誘導(dǎo)ZnO的d0鐵磁性。通常情況下單缺陷都具有較高的缺陷形成能，特別是含單缺陷的P型透明導(dǎo)

5、電氧化物半導(dǎo)體的形成能相對較高。研究發(fā)現(xiàn)復(fù)合缺陷GaZn+No在ZnO體系中的形成能與結(jié)合能較低，且不會產(chǎn)生額外磁矩，也不會改變與單缺陷VZn或No復(fù)合后體系的總磁矩。GaZn+No復(fù)合缺陷與單缺陷(VZn或No)復(fù)合后形成的三元缺陷的形成能與自旋極化能會不同程度的降低表明:施-受主復(fù)合缺陷GaZn+No在一定程度上是可以穩(wěn)定原體系的磁矩，對穩(wěn)定空穴誘導(dǎo)ZnO的d0鐵磁性具有重要意義。
　　 (3)基于自旋極化密度泛函理論，通過

6、第一性原理自旋態(tài)密度計(jì)算，發(fā)現(xiàn)未摻雜In2O3量子點(diǎn)的磁屬性主要來源于量子點(diǎn)表面的懸掛鍵或量子點(diǎn)內(nèi)部陽離子空位。In2O3量子點(diǎn)的態(tài)密度分析表明:內(nèi)部不含缺陷In2O3量子點(diǎn)表面陰離子懸掛鍵是誘導(dǎo)磁矩的主要原因，并且磁矩主要局域在量子點(diǎn)表面的陰離子上，而表面陽離子懸掛鍵不會誘導(dǎo)磁矩。另外，當(dāng)In2O3量子點(diǎn)表面所有的懸掛鍵都被贗氫原子鈍化以后，量子點(diǎn)內(nèi)部陽離子空位對磁屬性產(chǎn)生重要影響，陽離子空位產(chǎn)生的空穴誘導(dǎo)磁矩，這些磁矩主要局域在陽離

7、子空位周圍的陰離子上，而陰離子空位不會誘導(dǎo)磁矩。
　　 (4)通過第一性原理計(jì)算，發(fā)現(xiàn)應(yīng)變可以調(diào)節(jié)In2O3:C體系的磁屬性和電子結(jié)構(gòu)。雙C原子替代體材料In2O3中的O原子可以誘導(dǎo)d0鐵磁性，其自旋磁矩在壓應(yīng)力下或者不受拉應(yīng)力作用時大小保持不變(2μB)，然而，當(dāng)發(fā)生2％的體膨脹時，體系總磁矩急劇增加，升高到4μB，并且不再隨晶格的繼續(xù)膨脹而發(fā)生改變。電子態(tài)密度分析顯示，在不受外力或者在壓應(yīng)力作用下，In2O3:C體系的磁矩主