碳掺杂镉基Ⅱ-Ⅵ族半导体的磁性和电子结构研究

摘要

稀磁半导体材料由于其丰富物理内容和在自旋电子学领域潜在的应用价值受到了众多研究者们的关注。在过去数十年，尽管过渡族磁性元素掺杂的稀磁半导体材料在理论和实验上都得以实现，但是这样的稀磁半导体面临着杂质原子团簇和铁磁性杂质相等问题大大限制了其实际中的应用。为了获得高于室温铁磁性和杂质原子均匀分布的稀磁半导体，研究表明通过d0元素替代阴离子可以获得稀磁半导体材料。随着密度泛函理论的发展和计算机的性能的提高，运用基于密度泛函理论的电子结构计算对既定材料电子结构的研究和分析，已经成为理解并调控物质材料的性质的重要手段。
　　本文利用基于密度泛函理论的第一性原理计算，选择以碳掺杂的镉Ⅱ-Ⅵ族半导体材料作为研究对象，探索其磁性形成的物理机制，为该类材料的制备及其应用提供理论依据。研究表明：采用全势线性缀加平面波方法，以广义梯度近似和修正的Becke-Johnson势作为交换关联势，分别计算了碳原子掺杂硒化镉(CdSe)和锑化镉(CdTe)的磁性和电子结构。计算结果表明单个碳原子替代阴离子可使硒化镉和锑化镉均成为磁性半导体，其总磁矩为2.00玻尔磁子，得到的电子结构表明稳定的铁磁性可归因于类似于p-d交换的p-p耦合相互作用；阴离子空位对两种掺杂体系的磁性均产生较大影响；形成能计算表明，CSe和CTe都具有较低的形成能，预示着在适当的实验方法下，CSe和CTe是可以实现的,化学对相互作用(Chemical Pair Interaction）的计算结果表明，掺入的碳原子之间存在排斥作用，预示着掺入的碳原子易于形成均匀的分布。研究结果证实了当杂质原子的电负性值大于(或者等于）宿主半导体中阴离子的电负性值时仍能够产生稳定的铁磁基态。

目录

封面

声明

中文摘要

英文摘要

目录

引言

1 绪 论

1.1研究背景与研究意义

1.2 本文主要研究内容

2 计算原理与方法

2.1 CASTEP程序简介

2.2 WIEN2k程序简介

3 碳原子掺杂硒化镉磁性和电子结构的研究

3.1 碳原子掺杂硒化镉体系

3.2 电子结构的研究

3.3 磁相互作用

3.4 本征缺陷的研究与分析

3.5 形成能

3.6 本章小结

4 碳原子掺杂锑化镉磁性和电子结构的研究

4.1 碳原子掺杂锑化镉磁性与电子结构

4.2 磁相互作用

4.3 本征缺陷与磁性

4.4 应力与体系性质的影响

4.5 本章小结

5 结论与展望

5.1 结论

5.2 展望

参考文献

致谢

附录：攻读硕士学位期间参与的项目及发表的文章