高自旋极化率半金属的第一性原理研究

摘要

本文采用的是理论计算方法，用基于密度泛函理论的第一性原理计算和研究半金属材料，重点放在研究半金属性质的来源和寻找新型的半金属材料上。主要内容包括三个部分，一是在前人的基础上对CrTe电子结构进行深化研究；二是研究稀磁半导体掺杂，采用前人已经研究过的V阳离子掺杂ZnS和ZnSe，与前人掺杂浓度达到50％不同的是，我们仅仅研究稀磁掺杂，浓度为6.25％；三是预测新型的Cr掺杂宽带半导体MgTe的电子结构特性。论文的具体内容安排如下： 绪论：主要是半金属研究的一些背景知识。首先介绍了自旋电子学，半金属的研究背景，半金属的概念，以及半金属所涉及到的磁学知识；其次详细的介绍了半金属的性质，半金属的分类，以及半金属的应用。 第一章：详细介绍了本文所涉及的基本理论基础-第一性原理计算方法，主要包括(1)第一性原理的计算基础-密度泛函理论；(2)第一性原理的实现过程；(3)计算软件包‘VASP介绍。 第二章：介绍自己做的内容：二元化物CrTe。研究了二元化物CrTe基态砷化镍(NiAs)结构与两种亚稳态：闪锌矿(Zin-blende)结构和钎锌矿(Wurtzite)结构，重点放在CrTe三种结构的性质来源上。CrTe基态是NiAs结构的金属铁磁体，它的亚稳态Zin-blende结构和Wurtzite结构不但与传统的III-V、II-VI族半导体衬底兼容，拥有很高的居里温度Tc>400K，而且已经被证实了是半金属。本论文从它的能态密度和能带结构以及部分电荷密度出发，针对CrTe三种结构的电子结构进行深层次的研究，从而得到CrTe性质的来源主要是Cr3d电子和Te5p电子的杂化以及Cr的3d电子自旋交换劈裂，并从Cr离子磁矩分析得到在三种结构中展示3d4的磁构型。 第三章：介绍研究稀磁半导体掺杂：过渡金属V掺杂zinc-blende结构ZnS和ZnSe。半金属中的一种分类就是稀磁半导体，其中3d过渡金属掺杂闪锌矿(ZB)II-VI族半导体的浓度在热平衡条件下达到10-25％。但是由于p型掺杂的载流子浓度补偿的问题，一直没有找到居里温度高达室温的半金属。我们设计的是在不考虑N型和P型掺杂的情况下，对V掺杂ZB结构的ZnS和ZnSe，掺杂浓度为6.25％的电子结构和磁学性质进行模拟，从理论上预测Zn0.9375V0.0625S和Zn0.9375V0.0625Se是半金属铁磁体，并从电子结构和电荷密度两方面分析原因。 第四章：介绍过渡金属Cr掺杂宽带半导体MgTe。MgTe是II-VI族宽带半导体，它一直是科学和技术上感兴趣的一种光学材料。Mg1-xCdxTe，Mg1-xMnxTe和Mg1-xZnxTe作为光电材料也已经从光学和磁学上被很好的研究，但是到目前为止，没有人研究过Cr掺杂MgTe。这让我们对Cr掺杂MgTe的性质产生很大的兴趣(不考虑N型和P型掺杂的情况下)。由于MgTe本身基态结构具有争议性，Zachariasen，Klemm和Wahl等实验上认为它的基态是钎锌矿结构(W-MgTe)，相反Yeh等通过理论上计算则得出MgTe的基态是砷化镍结构(N-MgTe)，还有实验证实钎锌矿结构MgTe在1-3.5Gpa.高压下转化成砷化镍结构。为了保证研究的严密性，因此我们在本章研究建立了钎锌矿结构(w)和砷化镍结构(N)两种结构，对于未掺杂的MgTe和阳离子Cr取代Mg分别计算这两种结构。我们运用第一性原理方法，对模型进行结构优化，获得阳离子Cr取代型Mg掺杂的结构参数。对比未掺杂MgTe，计算并分析了掺杂模型的能带结构、态密度和电子密度。

目录

文摘

英文文摘

声明

绪论

第一章理论基础和材料模拟软件的介绍

第一节 密度泛函理论

第二节 局域密度近似

第三节 广义梯度近似

第四节 平面波方法

第五节 赝势方法

第六节 第一性原理计算

第七节 VASP软件包

第二章过渡金属化合物CrTe电子结构和磁学性质

第一节 引言

第二节 模型及计算方法

第三节 CrTe的电子结构和磁学性质

1、NiAs相CrTe的电子结构和磁学性质

2、Zinc-blende相的CrTe电子结构和磁学性质

3、 Wurtzite相CrTe电子结构和磁学性质

第四节 总结

第三章V掺杂半导体ZnS和ZnSe半金属铁磁性研究

第一节 引言

第二节 计算方法

第三节 计算结果与讨论

1、 ZnS与ZnSe几何结构及磁学性质

2、 V掺杂ZnS、ZnSe几何结构和磁学性质

3、 掺杂后的电子结构和费米面附近的电荷密度

第四节 结论

第四章Cr掺杂半导体MgTe电子结构和磁学性质

第一节 引言

第二节 计算方法

第三节 结果与讨论

1、 MgTe的电子结构和几何结构

2、 Cr掺杂MgTe的磁学性质

3、W-Mg1-xCrxTe电子结构

4、 N-Mg1-xCrxTe电子结构

第四节 结论

第五章 结论

参考文献

攻读学位期间承担的科研任务与主要成果

致谢

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