氧化锌基稀磁半导体的第一性原理研究

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稀磁半导体具有独特的自旋电子学特性和潜在的实际应用价值,受到了科技工作者的广泛关注。理论计算表明ZnO在室温下可能实现铁磁性,而且ZnO是典型的直接宽带隙半导体材料,具有高的激子束缚能,能够实现室温高紫外发光;原料丰富、价廉、环境友好。因此,ZnO基稀磁半导体成为了人们关注的焦点。基于密度泛函的第一性原理,我们计算并分析了本征缺陷和各种杂质对ZnO基稀磁半导体的电子结构和磁性的影响,探讨了其磁性的来源和居里温度的调控方法,重点研究了不同单掺杂和共掺杂对于ZnO基稀磁半导体磁性的影响和作用机理,主要研究结论有:通过对ZnO母体中本征缺陷的研究,发现O空位不能引起铁磁性,而Zn空位却能导致ZnO母体呈现铁磁性,且体系总磁矩主要来自于Zn空位附近自旋极化的氧原子,氧原子间的铁磁交换相互作用是通过自旋极化的Zn 3 d态进行调制的。我们还发现,在体系中用一个Li原子取代一个Zn原子能产生空穴和降低Zn空位的形成能,进而稳定了包含Zn空位的体系,产生了一个较大的总磁矩。通过对N掺杂和Li、N共掺杂,以及Zn空位、N共掺杂ZnO体系的电子结构和磁性的研究,发现N掺杂ZnO体系倾向于铁磁基态,每个超胞具有0.95μB的总磁矩,体系总磁矩主要来自于N和O原子未配对的2p电子;通过Li或者Zn空位与N共掺杂,体系的铁磁稳定性显著增强。通过研究Cu掺杂ZnO的电子结构和磁性,以及C和N共掺杂对Cu掺杂ZnO体系电子结构和磁性的影响,发现Cu取代Zn使体系倾向于铁磁稳定,每个超胞具有1μB的总磁矩,并且该缺陷体系表现出半金属稀磁半导体特性,其中局域在Cu原子上的磁矩约为0.58μB,其余主要来自于自旋极化的氧原子。此外,还发现随着两个Cu原子隔离距离的增加,体系铁磁稳定性降低。通过用一个N原子取代一个O原子,体系的铁磁稳定性略有增强;然而,用一个C原子取代一个O原子,体系的铁磁稳定性却被削弱了。通过研究Cr掺杂和Cr、Al共掺杂ZnO体系的电子结构和磁性,发现Cr掺杂ZnO体系倾向于铁磁基态,每个超胞具有7.50μB的磁矩,体系磁矩主要来自于Cr原子未配对的3d电子。此外,还发现在Cr掺杂ZnO体系中,Cr原子间的铁磁交换相互作用是短程的。通过Cr、Al共掺杂,体系的铁磁稳定性显著增强。
中文摘要第3-4页
ABSTRACT第4-5页
第一章 综述第8-28页
    1.1 稀磁半导体的概念第11-12页
    1.2 稀磁半导体的性质第12页
    1.3 稀磁半导体的磁性理论解释第12-17页
        1.3.1 双交换理论第13-14页
        1.3.2 超交换理论第14-15页
        1.3.3 RKKY 相互作用第15-17页
        1.3.4 束缚磁极化子模型第17页
    1.4 稀磁半导体的研究历史与现状第17-18页
    1.5 ZnO 基稀磁半导体的研究历史与现状第18-25页
        1.5.1 过渡金属掺杂ZnO 基稀磁半导体的研究现状第20-23页
        1.5.2 其他金属掺杂ZnO 基稀磁半导体的研究现状第23-24页
        1.5.3 非金属掺杂ZnO 基稀磁半导体的研究现状第24-25页
    1.6 本论文的研究目的和主要研究内容第25-28页
        1.6.1 本论文的选题依据和意义第25-26页
        1.6.2 本论文的主要研究内容第26-28页
第二章 计算理论基础第28-44页
    2.1 绝热近似第29-35页
        2.1.1 多粒子系统的薛定谔方程第29-30页
        2.1.2 电子运动和离子运动分离第30-32页
        2.1.3 哈特利–福克单电子近似第32-35页
    2.2 密度泛函理论基础第35-39页
        2.2.1 Hohenberg-Kohn定理第36页
        2.2.2 Kohn-Sham 方程第36-37页
        2.2.3 交换关联能泛函第37-39页
    2.3 计算程序CASTEP简介第39-42页
        2.3.1 CASTEP 软件的主要功能第39-40页
        2.3.2 CASTEP 的理论基础第40-41页
        2.3.3 CASTEP 软件的使用方法第41-42页
    2.4 本章小结第42-44页
第三章 本征缺陷对ZnO 电子结构和磁性的影响第44-60页
    3.1 本征ZnO 的晶格结构第44-45页
    3.2 ZnO 中的本征点缺陷第45-46页
    3.3 本征点缺陷对ZnO 电子结构和磁性的影响第46-58页
        3.3.1 计算方法第47-48页
        3.3.2 本征ZnO 的电子结构第48-49页
        3.3.3 氧空位对本征ZnO 电子结构和磁性的影响第49-50页
        3.3.4 锌空位对本征ZnO 电子结构和磁性的影响第50-56页
        3.3.5 Zn 空位、Li共掺杂对ZnO电子结构和磁性的影响第56-58页
    3.4 本章小结第58-60页
第四章 非金属元素掺杂ZnO 的电子结构和磁性第60-72页
    4.1 N 掺杂对本征ZnO电子结构和磁性的影响第61-65页
    4.2 Li 共掺杂对ZnO:N电子结构和磁性的影响第65-68页
    4.3 Zn 空位对N掺杂ZnO电子结构和磁性的影响第68-71页
    4.4 本章小结第71-72页
第五章 非磁性金属掺杂ZnO 的电子结构和磁性第72-82页
    5.1 Cu 单掺杂ZnO的电子结构和磁性第72-77页
    5.2 Cu 和N或者C共掺杂ZnO的电子结构和磁性第77-80页
    5.3 本章小结第80-82页
第六章 Cr 单掺杂和(Cr, Al)共掺杂ZnO电子结构和磁性第82-90页
    6.1 Cr 单掺杂ZnO的电子结构和磁性第83-85页
    6.2 (Cr , Al)共掺杂ZnO的电子结构和磁性第85-88页
    6.3 本章小结第88-90页
第七章 结论第90-92页
参考文献第92-110页
攻读博士学位期间发表的学术论文第110-112页
致谢第112页
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