空位及过渡金属掺杂对3C--SiC纳米线磁性的影响研究

摘要

随着半导体自旋电子学的兴起，稀磁半导体成为研究的热点。目前研究的关键问题就是要寻找具有高自旋极化率、高居里温度的稀磁半导体材料。3C-SiC纳米线作为一种潜在的稀磁半导体，在实验方面已经具有了室温铁磁性，但是对于其产生室温铁磁性的微观机制的研究还相对较少，其铁磁态可能与空位、掺杂杂质等因素有关。因此本文采用第一性原理计算方法从形成能、能带结构、态密度、自旋密度以及Mulliken布居数等方面，对本征3C-SiC纳米线、含有不同价态的Si空位或者不同价态的Si-C双空位的3C-SiC纳米线、不同过渡金属(Transition Metal，TM)掺杂的3C-SiC纳米线、不同Mn掺杂浓度的3C-SiC纳米线、空位与不同过渡金属络合掺杂的3C-SiC纳米线的电子结构和磁性性质进行了研究。主要结论如下： 1.本征3C-SiC纳米线不具有磁性，中性Si空位和Si-C双空位的引入也不能使3C-SiC纳米线具有磁性，而引入带负价态的Si空位和Si-C双空位均可以使3C-SiC纳米线具有磁性，由态密度分析可知其磁性的来源均为C-2p态的自旋劈裂。含负一价Si空位、负二价Si空位、负一价Si-C双空位的纳米线磁矩分别为2uB、3uB和1uB。其中含负一价Si空位的纳米线与含负一价Si-C双空位的纳米线均为反铁磁性稳定，而含负二价Si空位的纳米线有可能在室温下保持稳定的铁磁态。 2．在不同过渡金属(Fe，V,Cr，Mn)掺杂的3C-Si36TMe37纳米线中，Fe掺杂的纳米线具有金属特性且无磁性，而V,Cr,Mn掺杂的纳米线均为半金属材料且具有磁性，其磁矩分别为1uB、2ub和3uB，并且纳米线均为铁磁性稳定。由态密度分析可知其磁性的来源均为TM-3d态与C-2p态的p-d杂化作用。其中cr掺杂3C-SiC纳米线的半金属带隙最大，居里温度最高，因而可以成为优质的半金属性铁磁体。除此之外还讨论了不同Mn掺杂浓度对3C-SiC纳米线磁性的影响，即随着Mn掺杂浓度的增加，C-2p态和Mn-3d态劈裂的程度增大、总磁矩也增大。 3.在空位与不同过渡金属络合掺杂的3C-SiC纳米线中，3C-Si36FeC36纳米线、3C-Si36VC36纳米线、3C-Si36CrC36纳米线、3C-Si36MnC36纳米线均具有磁性，其磁矩分别为4uB、1uB、4uB和5uB，由态密度分析可知其磁性的来源均为TM-3d态与C-2p态、Si-3p态的p-d杂化作用。其中，3C-Si36FeC36纳米线和3C-Si36VC36纳米线具有金属特性且为反本研究得到国家自然科学基金(No.51207128)的资助铁磁性稳定，而3C-Si36CrC36纳米线和3C-Si36MnC36纳米线为半金属材料且为铁磁性稳定。且相比于3C-Si36CrC37纳米线和3C-Si36MnC37纳米线，3C-Si36CrC36纳米线和3C-Si36MnC36纳米线的半金属带隙和居里温度均有所降低。

目录

声明

1 绪论

1.1 研究的背景与意义

1.2 国内外研究进展

1.2.1 空位对磁性的影响

1.2.2 过渡金属掺杂对磁性的影响

1.2.3 碳化硅纳米线基铁磁半导体

1.3 本课题的研究内容

2 研究与计算方法

2.1 第一性原理计算

2.2 密度泛函理论

2.2.1 Hohenberg-Kohn定理

2.2.2 Kohn-Sham方程

2.3 交换关联泛函

2.3.1 局域密度近似

2.3.2 广义梯度近似

2.4材料计算流程

3 空位对3C-SiC纳米线的性能影响

3.1 本征3C-SiC纳米线

3.1.1 理论模型

3.1.2 计算体系与参数

3.1.3 本征3C-SiC纳米线的能带结构、态密度和布居数

3.2 Si空位对3C-SiC纳米线的性能影响

3.2.1 理论模型

3.2.2 计算体系与参数

3.2.3 计算结果与讨论

3.3 Si-C双空位对3C-SiC纳米线的性能

3.3.1理论模型

3.3.2计算体系与参数

3.3.3 计算结果与讨论

3.4 本章小结

4 过渡金属掺杂对3C-SiC纳米线的性能影响

4.1.理论模型

4.2计算体系与参数

4.3 计算结果与讨论

4.3.1形成能分析

4.3.2能带结构分析

4.3.3态密度分析

4.3.4自旋密度分析

4.3.5 Mulliken布居数分析

4.3.6磁性的判断

4.4 Mn掺杂浓度对3C-SiC纳米线的性能影响

4.4.1 理论模型和计算方法

4.4.2计算结果与讨论

4.5 本章小结

5 空位与过渡金属络合掺杂对3C-SiC纳米线的性能影响

5.1理论模型

5.2计算体系与参数

5.3 计算结果与讨论

5.3.1形成能分析

5.3.2能带结构分析

5.3.3态密度分析

5.3.4 Mulliken 布居数分析

5.3.5磁性的判断

5.4 本章小结

6 结论

致谢

参考文献

攻读硕士学位期间主要研究成果