ZnO基稀磁半導(dǎo)體第一性原理計(jì)算與蒙特卡洛模擬研究.pdf

1、半導(dǎo)體自旋電子學(xué)不僅利用電子電荷自由度而且也充分利用電子自旋自由度，為開發(fā)新的電子器件提供有效途徑。隨著科技的發(fā)展，人們對信息的處理、傳輸和存儲(chǔ)的要求越來越高，由于傳統(tǒng)的半導(dǎo)體器件只是利用了電子電荷自由度，而忽略電子自旋自由度，這就需要一種新型器件把這兩種自由度在同一種材料中結(jié)合起來，以滿足人們的需求，因此隨之產(chǎn)生了自旋電子器件。而稀磁半導(dǎo)體同時(shí)具有電子電荷和自旋兩種自由度，成為自旋電子器件的設(shè)計(jì)和制備的關(guān)鍵。由于以往制備出的的稀磁半導(dǎo)

2、體居里溫度偏低，從而阻礙了它在實(shí)際中的應(yīng)用。人們有必要找出具有高于室溫的居里溫度的稀磁半導(dǎo)體，以便應(yīng)用于實(shí)際。由于科學(xué)家通過理論計(jì)算預(yù)測了GaN和ZnO可能是在室溫或更高的溫度下能夠?qū)崿F(xiàn)由載流子引起鐵磁性的材料，從而引起人們的關(guān)注，尤其是ZnO基稀磁半導(dǎo)體，目前更是成為材料學(xué)的研究熱點(diǎn)之一。ZnO作為寬禁帶半導(dǎo)體材料，具有很高的激子束縛能，能夠?qū)崿F(xiàn)室溫高紫外發(fā)光，而且原料廉價(jià)、無毒性，是理論研究和實(shí)驗(yàn)觀測的首選材料。理論上，可以通過基于

3、密度泛函理論的第一性原理計(jì)算各種新材料的物理化學(xué)性質(zhì)，并結(jié)合蒙特卡洛模擬出材料的居里溫度，兩種方法的結(jié)合成為凝聚態(tài)物理研究的重要手段。 本論文主要利用第一性原理計(jì)算方法結(jié)合蒙特卡洛模擬研究ZnO基稀磁半導(dǎo)體的電子結(jié)構(gòu)和磁性。論文首先闡述了非磁性金屬Cu摻雜ZnO稀磁半導(dǎo)體的電子結(jié)構(gòu)，磁性耦合和居里溫度。之后結(jié)合磁性金屬Co摻雜ZnO，研究這兩種稀磁半導(dǎo)體的電子轉(zhuǎn)移特性，通過平面磁矩分布討論其磁性耦合機(jī)制。接著進(jìn)一步研究了非磁性非

4、金屬原子C代替兩個(gè)O原子在ZnO中的位置得到稀磁半導(dǎo)體的電子結(jié)構(gòu)、居里溫度、平面磁矩分布以及電子轉(zhuǎn)移特性，從而闡述體系磁性來源與磁耦合機(jī)制。最后，文中結(jié)合Al和s摻雜ZnO材料有電子轉(zhuǎn)移但沒有局域磁矩的性質(zhì)，進(jìn)一步探討稀磁半導(dǎo)體的磁性來源與磁耦合機(jī)制。論文的內(nèi)容具體安排如下： 第一部分：在緒論中首先介紹了半導(dǎo)體自旋電子學(xué)的發(fā)展過程，分類以及其應(yīng)用。其中稀磁半導(dǎo)體被認(rèn)為是最受矚目的，最有希望實(shí)現(xiàn)的自旋電子學(xué)應(yīng)用的材料。這個(gè)部分介紹

5、了目前國內(nèi)外對稀磁半導(dǎo)體研究進(jìn)展，包括稀磁半導(dǎo)體的室溫鐵磁性研究，以及磁性來源研究，并說明目前研究過程中遇到一些問題以及解決的方法。 第二部分：介紹本論文涉及到的兩種理論方法--第一性原理計(jì)算和蒙特卡洛模擬。包括：(1)第一性原理計(jì)算的理論基礎(chǔ)與實(shí)現(xiàn)方法：密度泛函理論、絕熱近似、密度泛函理論、局域密度近似、廣義梯度近似；第一性原理計(jì)算程序包VASP以及利用VASP程序計(jì)算過程；(2)蒙特卡洛模擬的思想與步驟，以及在本論文中具體使

6、用的原理方法，模擬過程；(3)在模擬計(jì)算中涉及一些常見的物理參量，如交換相互作用，鐵磁性和反鐵磁性。 第三部分：第一性原理計(jì)算是獲得稀磁半導(dǎo)體中磁性摻雜原子的微觀磁交換耦合強(qiáng)度的有效途徑。利用第一性原理計(jì)算并結(jié)合蒙特卡洛研究可以得到與實(shí)驗(yàn)結(jié)果可比較的居里溫度。這兩種方法的結(jié)合，使我們可以從微觀上的磁相互作用到宏觀的磁特性研究Cu摻雜ZnO稀磁半導(dǎo)體的磁性。首先利用第一性原理計(jì)算得到Cu摻雜ZnO的電子結(jié)構(gòu)，發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)具有半金屬的電

7、子結(jié)構(gòu)和穩(wěn)定的鐵磁基態(tài)，體系的磁性來源于Cu-3d和O-2p電子之間的雜化作用。然后結(jié)合蒙特卡洛模擬得到Zn1-xCuxO(x=5.55％，8.33％，12.5％)居里溫度分別為140，480，530 K。發(fā)現(xiàn)在高濃度摻雜下的居里溫度已經(jīng)超過室溫，該材料有望在自旋電子學(xué)中得到應(yīng)用。同時(shí)，通過第一性原理計(jì)算得到了兩種稀磁半導(dǎo)體一Zn1-xCuxO與Zn1-xCoxO的電子轉(zhuǎn)移，以及s，p，d軌道上自旋電子數(shù)差值。計(jì)算結(jié)果表明電子轉(zhuǎn)移和局域

8、磁矩是產(chǎn)生鐵磁性的兩個(gè)基本條件。從計(jì)算結(jié)果，發(fā)現(xiàn)Co或者Cu摻雜ZnO稀磁半導(dǎo)體的磁性耦合是RKKY耦合。 第四部分：利用非金屬元素C代替ZnO中的O原子得到的稀磁半導(dǎo)體可以避免由于磁性摻雜引起的磁性團(tuán)簇或第二相問題，對于研究稀磁半導(dǎo)體的磁性來源和磁耦合機(jī)制變得簡單。該部分利用第一性原理計(jì)算結(jié)合蒙特卡洛模擬研究ZnO1-xCx(x=5.55％，8.33％，12.5％)電子結(jié)構(gòu)，發(fā)現(xiàn)具有半金屬特性，并且得到居里轉(zhuǎn)變溫度分別為210

9、，260，690 K，在較高濃度的摻雜下超出室溫。然后通過研究各個(gè)原子之間的電子轉(zhuǎn)移以及s，p，d軌道上自旋向上與自旋向下電子數(shù)之差，發(fā)現(xiàn)ZnO1-xCx的局域磁矩主要來源于Zn-3d電子和C-2p電子之間的相互作用，而局域磁矩間的耦合傾向于RKKY耦合。 第五部分：利用第一性原理計(jì)算了Al和S摻雜ZnO稀磁半導(dǎo)體的電子結(jié)構(gòu)。發(fā)現(xiàn)Al與S摻雜ZnO沒有磁性，但存在較明顯的電子轉(zhuǎn)移。通過第一性原理計(jì)算出Zn、O以及摻雜物(A1和S

10、)之間的電子轉(zhuǎn)移數(shù)目，發(fā)現(xiàn)電子轉(zhuǎn)移不僅存在于近鄰原子之間，也存在遠(yuǎn)距離原子之間，說明存在巡游電子。并且通過計(jì)算這些原子在s，p，d軌道上自旋向上電子和自旋向下電子數(shù)目之差，△s，△p，△d，得到體系不存在局域磁矩。 第六部分：總結(jié)了本論文所做的工作，得到三種ZnO基稀磁半導(dǎo)體具有半金屬電子結(jié)構(gòu)，在室溫下呈現(xiàn)出穩(wěn)定的鐵磁基態(tài)。通過態(tài)密度圖與電子轉(zhuǎn)移圖分析，得到稀磁半導(dǎo)體的磁性來源為p-d電子之間的雜化作用，磁耦合機(jī)制為遠(yuǎn)程RKKY