空位诱导低维半导体纳米材料的磁性研究

摘要

在新科技日益发展的今天，便捷、环保、安全的多功能材料成为人们研究的热点，而稀磁半导体材料是其中研究的热点之一。稀磁半导体材料可同时利用电子的电荷属性和自旋属性，极大地提高了信息的处理速度和储存密度，在磁感应器、光隔离器、半导体集成电路、半导体激光器和自旋量子计算机等领域存在广阔的应用前景。目前，稀磁半导体材料并没有得到广泛的应用，原因是其居里温度低于室温以及饱和磁化强度较低。因此，提高稀磁半导体的居里温度和饱和磁矩、设计新的稀磁半导体材料已成为该领域的研究热点。通过研究发现，一些半导体材料在没引入磁性杂质的情况下，也具有铁磁性，并且具有较高的居里温度。英国皇家科学院Coey院士把这类材料的铁磁性命名为d0铁磁性[1]。然而，对于d0铁磁性的磁性起源一直存在较大的争议，制约了该类半导体材料的高效使用和商业化。 关于半导体金属氧化物d0铁磁性来源问题，国内外已开展了大量的理论和实验研究，但两者结果却不尽相同。多数实验结果表明稀磁半导体的磁性是由氧空位引起的，而多数的理论研究则表明材料的局域磁性是由阳离子空位导致的。为了更合理的解释实验现象，我们提出了一种新的研究思路，即考虑空气中氧气分子的化学吸附对缺陷态金属氧化物d0磁性的影响。此外，我们还设计了新型的二元及三元金属氧化物超薄纳米管，并研究了其本征空位所诱导的d0磁性。上述研究所得主要结论如下： 1、基于密度泛函理论，我们对氧吸附缺陷态HfO2(110)表面的电子结构和磁性进行了研究。通过比较空位形成能，发现氧空位比铪空位更容易产生，这表明HfO2(110)表面氧空位数量多于铪空位。此外，等化学计量比的HfO2(110)表面和含本征空位的HfO2(110)表面的吸附能力依次为：氧缺陷>等化学计量比>铪缺陷。对于HfO2(110)表面，单独的氧空位不能诱导材料产生局域磁矩。当吸附氧分子后，吸附的氧气分子可以诱发系统产生非零磁矩。相反，对于整个HfO2(110)表面来说，单独的铪空位可以引入较大的磁矩，而吸附氧气分子后其局域磁矩减小。此外，当氧气分子吸附在等化学计量比的HfO2(110)表面时，系统的反铁磁态更稳定。而对于另外两种吸附类型，系统的铁磁态能量要比其反铁磁态能量低。以上计算结果可以合理解释现有的实验结果：真空退火使材料室温铁磁性增强，随后的空气退火，导致材料铁磁性降低。 2、用第一性原理计算系统地研究了锐钛矿型超薄TiO2纳米管缺陷结构的电子和磁学性质。中性钛空位可以产生较大的局域磁矩和长程铁磁耦合。但钛空位的空位形成能较高，因此很难在纳米管中存在大量钛的空位。中性的氧空位比钛空位更容易形成，并且其形成的磁耦合的类型不仅与氧空位的种类有关，也和氧空位的距离有关，同时在大多数情况下系统的反铁磁耦合态是稳定的。此外，我们对锐钛矿型超薄TiO2纳米管中带正电和负电荷的空位缺陷(Vo+，Vo-，VTi+，和VTi+)进行了分析。通过比较中性和带电空位的形成能，发现纳米管在缺氧环境下，其带一价正电荷的氧空位更容易形成，同时纳米管表现为铁磁耦合态。 3、基于密度泛函理论，我们发现超薄SrTiO3纳米管的电子结构、稳定性和磁性与其表面终端类型及纳米管曲率有关。本研究通过卷曲矩形SrTiO3(001)单层面来构建超薄SrTiO3纳米管。比较SrTiO3单层面和超薄SrTiO3纳米管的总能量及内聚能，发现SrTiO3单层面要比以TiO2-out为终端的超薄SrTiO3纳米管更稳定，但不如以SrO-out为终端的超薄SrTiO3纳米管稳定，其中管径为(18，0)并以SrO-out为终端的超薄SrTiO3纳米管最稳定。在SrTiO3单层结构中，其稳定的铁磁耦合与钛空位有关，尽管在富氧环境下钛空位更难产生。与SrTiO3单层面情况不同，在富氧条件下，以SrO-out为终端的纳米管中钛空位更容易形成，并且产生较大的局域磁矩和铁磁耦合态。而在缺氧条件下，纳米管中的氧空位更容易形成，而由氧空位引起的磁耦合态与氧空位的类型有关。

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摘 要

ABSTRACT

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第一章 绪论

1.1稀磁半导体材料的研究现状

1.2纳米管的研究现状

1.3 磁理论模型

1.3.1 直接交换作用

1.3.2 超交换作用

1.4 选题来源

第二章 密度泛函理论基础

2.1 密度泛函理论

2.1.1 Thomas-Fermi 模型

2.1.2 Hohenberg-Kohn理论

2.2 交换相关能量泛函

2.2.1 局域密度近似(LDA)

2.2.2 广义梯度近似(GGA)

2.2.3 轨道泛函(LDA(GGA)+U)

2.3 VASP简介

第三章 空位诱导和吸附氧对HfO2(110)表面d0磁性的影响

3.1 研究背景

3.2 计算方法与模型构建

3.3 结果与讨论

3.3.1 立方HfO2(110)表面空位的产生

3.3.2 等化学计量比的HfO2(110)表面吸附研究

3.3.3 缺陷态下HfO2(110)表面吸附研究

3.4 总结

第四章 锐钛矿型超薄TiO2纳米管的磁性研究

4.1 研究背景

4.2 计算方法和模型构建

4.3 结果讨论

4.3.1等化学计量比的锐钛矿型超薄TiO2纳米管的结构和电学性质

图4-1(a)结构俯视图，(b)结构侧视图，(c)等化学计量的a-UTiO2NT总态密度度图(DOS

4.3.2锐钛矿型超薄TiO2纳米管含有缺陷的稳定性

4.3.3含有钛空位的锐钛矿型超薄纳米管的磁性和磁耦合

4.3.4带电钛空位的的磁性和磁耦合

4.3.5含有氧空位的锐钛矿型超薄TiO2纳米管的磁性和磁耦合

4.3.6含带一价正电荷的氧空位的锐钛矿型超薄TiO2纳米管的磁性和磁耦合

4.4 总结

第五章 单层超薄SrTiO3纳米管结构稳定性和磁性的研究

5.1 研究背景

5.2 计算方法和模型构建

5.3 结果与讨论

5.3.1等化学计量的超薄SrTiO3纳米管的稳定性和结构性质

5.3.2 STO单层面和以SrO为终端的超薄SrTiO3纳米管的空位稳定性

5.3.3 STO单层面不同空位下的磁性

5.3.4以 SrO为终端的超薄SrTiO3纳米管的空位磁性

我们计算了以SrO为终端的管径为(18,0)的纳米管中两个相同空位的铁磁耦合和反铁磁耦合的相对能量(

5.4 总结

第六章 总结与展望

参考文献

致谢

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