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(shí)現(xiàn)半導(dǎo)體自旋電子器件的關(guān)鍵，探尋在室溫下對(duì)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(wèn)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(zhǎng)在半導(dǎo)體上能作為自旋流注入源。同時(shí)，第一性原理計(jì)算方法作為一種不需要任何經(jīng)驗(yàn)參數(shù)的理論計(jì)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(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，同時(shí)還能對(duì)材料的性能進(jìn)行相關(guān)預(yù)測(cè)，起到指導(dǎo)實(shí)驗(yàn)的作用，越來(lái)越受到材料科研工作者的重視。 本論文利用第一性原理計(jì)算方法對(duì)ZnO：Cu，TiO2：V兩類(lèi)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(duì)稀磁半導(dǎo)體的研究中，我們除了研究過(guò)渡金屬原子間的磁性相互作用外，還利用計(jì)算缺陷形成能的方法，對(duì)磁性原子摻入的可能性及過(guò)渡原子的價(jià)態(tài)對(duì)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(guò)我們的計(jì)算能對(duì)樣品的制備提出相關(guān)建議及意見(jiàn)。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(duì)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(duì)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(jì)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(gè)原子的超晶胞計(jì)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(fèi)米能級(jí)在p型區(qū)域時(shí)，Cu易形成+2價(jià)，超晶胞具有1μB/Cu的磁矩。而費(fèi)米能級(jí)在n型區(qū)域時(shí)，Cu易于形成+1價(jià)，沒(méi)有磁矩。Cu本身是一個(gè)弱p型雜質(zhì)，在富氧態(tài)時(shí)，能使費(fèi)米能級(jí)來(lái)到p型區(qū)域，而在富金屬態(tài)時(shí)，由于其它n—型本征缺陷（Zni，Vo）形成能較低，費(fèi)米能級(jí)依然在n型區(qū)域。在超晶胞計(jì)算2個(gè)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(lái)源于p—d跳躍相互作用。這就說(shuō)明p—型的ZnO：Cu具有磁性，而n—型的ZnO：Cu沒(méi)有磁性，解決了實(shí)驗(yàn)上的矛盾爭(zhēng)端。進(jìn)一步我們還計(jì)算了3個(gè)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(shì)，并且保持鐵磁性關(guān)系，這與實(shí)驗(yàn)報(bào)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(gè)原子的超晶胞計(jì)算了V摻入TiO2的缺陷形成能。富金屬

6、態(tài)較富氧態(tài)時(shí)，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(fèi)米能級(jí)在p型區(qū)域時(shí)，V易形成+5價(jià)，由于其沒(méi)有d電子而不具有磁矩。而費(fèi)米能級(jí)在n型區(qū)域時(shí)，V易形成+4及+3價(jià)，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(duì)與V3+對(duì)均保持鐵磁性耦合關(guān)系，其磁性來(lái)源于p—d跳躍相互作用。這就說(shuō)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(jì)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(shí)能共同摻入TiO2中。F與Cl能使V穩(wěn)定到+3價(jià)，使樣品磁性加強(qiáng)，而N使V穩(wěn)定到+5價(jià)，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(duì)其模擬中，我們采用更接近外延生長(zhǎng)實(shí)驗(yàn)的二維應(yīng)力模型，對(duì)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(mǎn)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(duì)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?cè)O(shè)計(jì)了界面最優(yōu)匹配模型，對(duì)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(cè)。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(mǎn)足，意味著難以在ZB型半導(dǎo)體襯底上生長(zhǎng)獲得較厚的ZB型半金屬薄膜。對(duì)其他文獻(xiàn)報(bào)道