非磁性元素原子掺杂二维AlN的第一性原理研究

摘要

自旋电子学是微电子学科与磁性物理学科的交叉学科，它旨在将磁性材料应用到传统的半导体器件当中来，实现载流子的电荷自由度与自旋自由度的同时操控，由此来实现信息处理与信息存储同步进行，自旋电子器件具有运行速度快，集成度高，功耗低，非挥发性等优势，是下一代电子器件的发展趋势。二维石墨烯以及它优异的物理性质的发现，不仅在理论上开辟了物理学的新领域，实践上更是带动了多种二维材料的研究。二维材料的特殊几何结构迎合了主流的电子器件平面化趋势，量子限制效应带来的新颖物理性质使得以此为材料的器件功能更丰富。在二维材料中实现自旋与电荷的同时操控势必带动下一代电子器件发展潮流。科学界普遍认为在宽带隙 III-V族化合物半导体中极有可能实现室温铁磁性。于是我们考虑以AlN为基质材料来研究二维AlN的磁性。AlN本身是一种典型的直接宽带隙半导体，一直被认为是蓝光与紫外光的理想发光材料并且已被实用。它由于同时具有高击穿场强，高电阻率，高度的热力学稳定性，高热传导率以及与传统半导体器件基质材料硅非常匹配的热膨胀系数一直作为主流的电子器件散热封装材料。高品质的超薄二维AlN在近期被成功制备，说明我们的研究是及时且意义重大的。
　　我们基于自旋密度泛函理论的第一性原理研究对二维AlN单层以及同类型的GaN，InN单层等进行了非磁性元素的掺杂研究，并且进行了传统的过渡金属 Mo原子的掺杂研究，对比分析体系磁性。我们的研究主要侧重于磁性的研究，通过对几何结构分析，电子结构的讨论，最终目的都会回到材料的磁属性上来。全文内容安排如下：
　　第一章，我们对自旋电子学与稀磁半导体的基本概念，物理性能与发展历程与发展现状，常见的材料磁性起源与磁性交换机制做了简单的介绍。对二维材料的发展与研究，并就单层AlN材料的研究现状做了综述。
　　第二章，我们侧重介绍了我们采用的第一性原理研究的方法，从基于波函数的量子力学计算到密度泛函理论计算简单的流程式的介绍。最后部分介绍了我们使用的软件包VASP程序包与常见交换关联势。
　　第三章，我们研究了三种典型碱金属 Li，Na和K替位掺杂AlN单层阳离子的几何结构，电子结构与磁性。三种元素替位掺杂在局部上破坏了原 AlN单层平面六角结构，在杂质位形成局部 C3v对称，三种原子的掺杂都在原本的宽带隙中引入了较深的受主能级，它们是由杂质原子近邻的三个N原子形成。三种碱金属原子的掺杂体系总磁矩都是2μB。三种掺杂体系中，存在一个共同点：一方面体系自旋态具有高度的局域性，大部分集中在杂质原子三近邻的 N原子；另一方面体系自旋态又不仅仅局域在三近邻 N原子，它还散布到整个晶格的N原子。这种局域与弥散的共存现状一方面满足了自旋极化的条件，另一方面也促进了局域磁矩之间的磁性交换。磁性耦合计算显示 Li和Na原子掺杂的单层AlN局域磁矩之间的交换强度不足以支撑体系形成长程铁磁性，但是K原子掺杂样品表现出极好的长程铁磁序，可以实现低浓度掺杂的室温铁磁性，铁磁转变温度采用平均场海森堡模型评估超过1000K，这对实际应用是非常有价值的。
　　第四章，我们研究了碱土金属Mg，Ca，Sr原子，和Zn原子四种二价原子对AlN单层的替位阳离子掺杂后的几何结构电子结构与磁性。Ca原子与 Sr原子掺杂在原平面结构上形成局部的结构凸起，局域对称性转变为 C3v对称；而 Mg与Zn原子掺杂模型中，体系保持着D3h对称。四种原子掺杂为基质材料的带隙引入了一个浅受主能级，费米能级处自旋劈裂比较显著。四种原子掺杂体系的总磁矩都是1μB，体现呈现出半金属性，通过 HSE杂化函数计算的验证，其中Mg，Sr， Zn原子掺杂体系被验证确实为半金属性，而 Ca原子掺杂则是磁性半导体。体系磁性来源大部分集中在杂质原子三近邻的 N原子，还有少部分是由整个晶胞空间中其它N原子提供，这和上述碱金属掺杂 AlN单层非常类似，同样也具有局域与弥散共存的特性。相比碱金属掺杂，碱土金属掺杂单层AlN似乎更加有利于铁磁长程序的产生，四种原子掺杂都存在非常明显的长程铁磁优势，居里温度评估超过600K。铁磁交换机制归因于 p-p/p-d杂化作用。
　　第五章，我们研究了 Mo原子掺杂单层 AlN，GaN和 InN，对比分析了掺杂结构与电子结构，最终分析 Mo原子替位掺杂三种样品材料阳离子的不同磁性表现的原因。Mo原子掺杂AlN单层时凸出于单层，近邻三个N原子之一被提高，这种Jahn-Teller畸变更利于电子填充，体系能量降低。而Mo原子掺杂GaN和InN样品时体系保持局部 D3h对称。经过 Mo原子掺杂之后，AlN单层由非磁性半导体材料转变为磁性半导体，GaN单层由非磁性半导体转变为非磁性金属，而 InN单层由非磁性半导体转变为磁性金属。Mo原子掺杂 AlN单层与 InN单层体系的净磁矩分别为1μB和0.54μB，两种掺杂模型的局域磁矩非常的局域，几乎没有磁性磁渗透现象。AlN单层中的局域磁矩之间几乎没有相互作用，InN单层中，只有两 Mo原子处于最近邻的情况，系统才表现出铁磁交换作用。两个 Mo原子掺杂的 GaN单层，在磁性耦合计算中表现出相当范围的铁磁交换作用，超过10?的情况下，铁磁交换作用仍然具有接近室温热能的能量优势，而在间隔约8?时，铁磁交换作用可以稳定在室温下。Mo原子对 AlN，GaN和 InN单层的对比研究表明在局域性与退局域性之间找到一个平衡点，既能有效的形成自发极化，又能形成较大范围的磁逾渗，对建立室温宏观铁磁性才是最关键的。

目录

声明

第1章 绪 论

1.1自旋电子学与稀磁半导体

1.2 稀磁半导体的物理性质

1.3 稀磁半导体的磁性机制

1.4 二维材料简介

1.5 本论文研究工作的内容、目的和意义

第2章 第一性原理计算的基本理论与方法

2.1 基于波函数的量子力学计算

2.2 密度泛函理论

2.3 常用交换关联泛函

2.4 计算软件简介

第3章 碱金属原子掺杂二维单层AlN的磁性研究

3.1 引言

3.2 计算模型与方法

3.3 结果分析与讨论

3.4 本章小结

第4章 碱土金属原子掺杂二维单层AlN的磁性研究

4.1 引言

4.2 计算模型与方法

4.3 结果分析与讨论

4.4 本章小结

第5章 Mo掺杂二维AlN，GaN和InN的磁性研究

5.1 引言

5.2 计算模型与方法

5.3 结果分析与讨论

5.4 本章小结

结论与展望

1 .工作总结

2 .未来展望

参考文献

附录A 攻读学位期间发表的论文

附录B 攻读学位期间所从事科研工作目录

致谢