釓摻雜氮化鎵團(tuán)簇磁性的第一性原理研究.pdf

1、稀磁半導(dǎo)體材料是自旋電子學(xué)器件的重要基礎(chǔ)，近年來Gd摻雜的GaN稀磁半導(dǎo)體引起了人們的廣泛興趣。本文運(yùn)用基于密度泛函理論的第一性原理計(jì)算，對(duì)Gd摻雜的GaN團(tuán)簇電子結(jié)構(gòu)和磁性進(jìn)行了較系統(tǒng)的研究，對(duì)Gd相關(guān)的鐵磁耦合機(jī)制和巨磁矩現(xiàn)象等進(jìn)行了較深入的探索。
　　第一部分，Gd是自然界中極為獨(dú)特的磁性物質(zhì)，然而對(duì)它的研究至今仍然非常有限，特別是在其鐵磁耦合機(jī)制方面。通過第一性原理計(jì)算，我們發(fā)現(xiàn)Gd原子間的磁耦合行為對(duì)于它們之間的距離非常

2、敏感，當(dāng)兩個(gè)Gd原子離得比較近時(shí)，體系基態(tài)是反鐵磁耦合的；當(dāng)兩個(gè) Gd原子離得比較遠(yuǎn)時(shí)，體系基態(tài)是鐵磁耦合的；而反鐵磁態(tài)-鐵磁態(tài)的磁相變發(fā)生在原子間距離約為2.2?處。這一結(jié)論具有很高的實(shí)際應(yīng)用和理論研究價(jià)值。從雙原子模型電子態(tài)密度隨原子間距離的演變過程中，我們發(fā)現(xiàn)間接交換相互作用（如 RKKY相互作用），隨著原子間距離的增大，而逐漸占據(jù)主導(dǎo)，這是鐵磁耦合形成的基礎(chǔ)。另外，除了f態(tài)電子外，還有其他傳導(dǎo)電子參與了磁耦合作用。這使得鐵磁-反

3、鐵磁能量差（ΔE FM-AFM）與原子間距離（d）之間的函數(shù)關(guān)系變得復(fù)雜，而并非是完全地單調(diào)遞減關(guān)系。
　　第二部分，運(yùn)用基于密度泛函理論的第一性原理計(jì)算，系統(tǒng)地研究了Gd摻雜的GanNn團(tuán)簇的結(jié)構(gòu)、電子和磁性質(zhì)。通過計(jì)算我們發(fā)現(xiàn)單個(gè)Gd摻雜的GanNn團(tuán)簇，在不同的尺寸和結(jié)構(gòu)下，體系的總磁矩始終保持為7μB，其中絕大部分來自于Gd原子f態(tài)電子的貢獻(xiàn)。這表明Gd身處于不同的結(jié)構(gòu)和勢(shì)場(chǎng)中，其半滿4f層電子的自旋平行排列始終不變；也就

4、是說，Gd的f態(tài)電子之間的交換相互作用很強(qiáng)。這與Mn、Fe等過渡族金屬中d態(tài)電子的情況截然不同，它們很容易受到周圍勢(shì)場(chǎng)或配位場(chǎng)的影響。另外，我們發(fā)現(xiàn)Gd摻雜的GanNn團(tuán)簇中，除了Gd有磁矩外，N和Ga原子存在不同程度的自旋極化，并且N的極化磁矩要遠(yuǎn)大于Ga的極化磁矩。此外，Gd摻雜GanNn團(tuán)簇幾何結(jié)構(gòu)及其演變的研究將有助于理解GaN: Gd材料的生長機(jī)制。微觀納米尺寸上電磁性質(zhì)的研究，將有助于揭示GaN: Gd中巨磁矩和室溫鐵磁性等