掺杂ZnO铁磁性起源的第一性原理研究

摘要

ZnO基稀磁半导体在自旋电子器件方面存在广阔的应用前景,因此引起了人们的广泛关注。制备高质量的具有室温铁磁性的ZnO基稀磁半导体成为人们的研究目标。在实验上,获得室温铁磁性的ZnO基稀磁半导体的报道不断涌现,但是,人们对其铁磁性的产生机理在理论上还没有达成共识。要提高稀磁半导体材料的性能,设计新的方法来提高磁相互作用,对其磁性起源及机理的研究是至关重要的。本文主要从基于密度泛函理论的第一性原理出发,对ZnO基稀磁半导体进行了系统的研究,通过对其电子结构的计算,分析其磁性产生机理。研究结果为人们对ZnO基稀磁半导体材料的性能的改进提供了新的思路。
　　本论文的主要研究成果如下:
　　1.从各个角度对Mn掺杂ZnO体系铁磁性起源进行了探究。首先,通过对Mn吸附ZnO(1010)表面研究发现,Mn原子趋于吸附在断开的Zn-O键的桥位。Mn原子趋于聚集,有形成团簇的趋势,此时体系显示出稳定的反铁磁性。随着Mn原子距离的增加,这种反铁磁性耦合急剧的减弱。其次,研究了Mn掺杂ZnO中本征缺陷氧空位对体系磁性能的影响,结果发现单一的中性的氧空位不能诱导铁磁性,而+1价和+2价的氧空位可以诱导铁磁性的产生。中性的氧空位在氢化的环境下可以诱导铁磁性。
　　2.利用共掺杂手段对Mn、Co掺杂ZnO体系的铁磁性进行调控。首先,分别用GGA和GGA+U方法对Mn,N共掺杂ZnO体系进行了细致的研究。结果均表明N的引入改变了Mn离子的价态,并且可以实现Mn掺杂ZnO体系由反铁磁性到铁磁性的转变。其次,对Co,Al共掺杂ZnO体系进行了细致的研究。研究发现,相对于反位取代和间隙位置,Al离子倾向于取代Zn位置,低浓度的Al掺杂不能诱导室温铁磁性。在Al掺杂剂浓度较低时,氧空位的引入可以诱导室温铁磁性,此时体系的室温铁磁性起源可用BMP模型来解释。当Al掺杂剂的浓度达到临界浓度时,即使体系无氧空位缺陷,体系也显示出室温铁磁性,此时自由载流子调节了室温铁磁性。
　　3.对两种非磁性金属元素掺杂ZnO铁磁性起源进行了研究。研究发现,对于3d壳层全满的Cu掺杂ZnO,体系的铁磁性归因于Cu的3d和O的2p轨道间的强烈的杂化作用。而对于不含3d电子的非磁性金属元素Li、Mg、Al掺杂ZnO体系,铁磁性主要来自于体系中的 Zn空位间的耦合作用。Li、Mg、Al掺杂ZnO在一定程度上减少了Zn空位的形成能同时稳定了体系的铁磁态。
　　4.分别对两种非磁性元素掺杂(ZnO)12纳米团簇的磁性能进行了研究。研究发现,对于Cu掺杂(ZnO)12纳米团簇,与Cu掺杂ZnO块体不同,此时体系的基态是反铁磁性的,说明掺杂尺寸对体系的基态磁序有较大的影响。对于C掺杂(ZnO)12纳米团簇,基态磁序受掺杂C原子间距离的影响非常敏感。在适当的C…C距离下,体系显示出铁磁性,铁磁性主要是由空穴通过两个C原子和其共有的O原子间的强的p-p耦合作用来调节的。

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第1章 绪论

1.1 自旋电子学简介

1.2 稀磁半导体

1.3 ZnO简介

1.4 ZnO基DMS的研究现状

1.5 几种解释铁磁性起源的理论模型

1.6 选题依据和研究内容

第2章 理论与计算方法

2.1 绝热近似

2.2 变分原理

2.3 密度泛函理论

2.4 交换关联泛函

2.5 赝势

2.6 Quantum-ESPRESSO计算软件简介

第3章 Mn掺杂ZnO体系铁磁性起源的研究

3.1 Mn吸附ZnO(1010)面结构与磁性能的研究

3.2 Mn掺杂ZnO中氧空位与铁磁性起源的关系

3.3 本章小结

第4章 共掺杂对Mn, Co掺杂ZnO体系铁磁性的调控

4.1 (Mn, N)共掺杂ZnO体系铁磁性起源及调控

4.2 (Co, Al)共掺杂ZnO体系铁磁性起源及调控

4.3 本章小结

第5章 非磁性金属元素掺杂ZnO铁磁性起源的研究

5.1 Cu掺杂ZnO铁磁性起源的研究

5.2 Li、Mg、Al掺杂ZnO铁磁性起源的研究

5.3 本章小结

第6章 非磁性元素掺杂(ZnO)12纳米团簇的磁性能研究

6.1 Cu掺杂(ZnO)12纳米团簇磁性能研究

6.2 C掺杂(ZnO)12纳米团簇的磁性能研究

6.3 本章小结

第7章 总结与展望

7.1 论文总结

7.2 展望

参考文献

致谢

攻读博士学位期间发表的学术论文