3d过渡金属原子掺杂单层氮化硼、氮化铝的第一性原理计算研究

摘要

自旋电子学是一门新兴的学科和技术，在固体器件中加入电子的磁矩，用电子的自旋来携带信息，从而减少电能消耗。自旋电子器件有望解决现代电子计算机的主要问题：电力耗费巨大；计算机耗费能量产生的热量又需要更多的能量来冷却。作为对比，自旋电子器件产生很少的热量，使用相对来说非常少的电量。因此，自旋电子学受到了广大研究人员的关注。在自旋电子器件的相关研究中，二维材料因其独特的电子特性，被认为是将其应用于自旋电子器件的关键。典型的二维结构包括六方氮化硼(h-BN)单层、六方氮化铝(h-AlN)单层等。本论文采用基于密度泛函理论(DFT)和投影缀加平面波(PAW)的第一性原理计算方法，对Co、Ni原子掺杂h-BN单层、以及Cr、Mn原子掺杂h-AlN单层的几何结构、电子性质以及磁性性质进行了系统的研究。在此基础上，研究相应的自旋输运的特性，进而为设计新型自旋电子器件，提供坚实的理论依据。本论文主要研究内容以及结论如下： 本论文首先介绍了研究背景、基本理论基础以及研究的主要内容。其次介绍研究本课题所要用到的软件及计算理论基础。最后，分别对Co、Ni原子掺杂h-BN单层、以及Cr、Mn原子掺杂h-AlN单层的几何结构、电子性质以及磁性性质进行系统的研究，计算所有研究体系的电荷密度、自旋密度及态密度，最后通过对比分析得出结论。 研究发现：未掺杂的h-BN单层以及h-AlN单层都是非磁的。但是单个的Co原子、Ni原子、Cr原子以及Mn原子都能在体系引入磁矩，并且磁矩主要由掺杂原子的d轨道贡献。进一步研究了掺杂原子之间的磁性耦合情况，发现，Co原子和Cr原子耦合掺杂体系均是铁磁态与反铁磁态并存，Ni原子和Mn原子耦合掺杂都能在体系中引入磁基态，从而产生集体性宏观磁性。

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摘 要

Abstract

1.1 研究背景

1.2 自旋电子学简介

1.3 材料中的缺陷

1.3.1 点缺陷的种类

1.3.2 点缺陷对晶体材料的影响

1.4 论文的章节安排

2.1 第一性原理

2.2 密度泛函理论

2.2.1 量子多体问题

2.2.2 波恩-奥本海默(Born-Oppenheimer)绝热近似

2.2.3 哈特里-福克(Hartree-Fock)自洽场近似

2.2.4 Hohenberg-Kohn定理

2.2.5 Kohn-Sham方程

2.2.6 交换相关泛函

2.3 赝势平面波方法

2.4 能带理论

2.4.1 能带结构

2.4.2 态密度

2.5 本文计算软件包简介

2.5.1 VESTA软件

2.5.2 Origin软件

2.5.3 VASP软件

2.6 硬件支撑

2.7 本章小结

3.1 研究内容及计算方法

3.2 未掺杂h-BN单层的电子和磁性性质

3.3 掺杂h-BN单层的电子和磁性性质

3.3.1 Co原子掺杂h-BN单层的电子和磁性性质

3.3.2 Ni原子掺杂h-BN单层的电子和磁性性质

3.4 本章小结

4.1 研究内容及计算方法

4.2 未掺杂h-AlN单层的电子和磁性性质

4.3 掺杂h-AlN单层的电子和磁性性质

4.3.1 Cr原子掺杂h-AlN单层的电子和磁性性质

4.3.2 Mn原子掺杂h-AlN单层的电子和磁性性质

4.4 本章小结

结 论

参考文献

攻读硕士学位期间所发表的论文

致 谢