磁性纳米结构的量子调控

摘要

纳米自旋电子学是目前凝聚态物理和材料科学中的重要活跃领域。磁性纳米结构具有许多新奇的特性，而对其磁性的调控已经成为当前研究的热点。
　　 本论文简要回顾了纳米磁性材料的研究背景和纳米结构磁性调控的研究现状；详细地介绍了本论文工作中涉及到的电子结构理论和计算方法——基于密度泛函理论的离散变分方法和基于离散变分方法的ADF。
　　 我们采用第一性原理计算系统研究了棒型C4v对称Fe(Co)-GaN纳晶和方型Oh对称Fe(Co)-GaN纳晶的特性与调控，详细考察了纳晶磁结构与对称性和表面原子吸附构型间的关系。
　　 我们以1×1×2棒型纳晶团簇Ga22N23为蓝本，采用过渡金属离子(Fe或Co离子)代替Ga离子来完成掺杂，掺杂浓度为9.1％。保持C4v对称性，同时改变表面H原子的吸附情况来考察体系的特性和磁性调控。
　　 我们的计算结果表明，(1)Ga20Fe2N23和Ga20Fe2N23 H4(N位)团簇均有两个稳态，基态总磁矩为5μB，亚稳态总磁矩为1μB；与此相反，Ga20Fe2N23H2团簇的基态总磁矩为1μB处，亚稳态总磁矩为5μB。Ga20Fe2N23H4(Ga位)团簇有三个稳态，基态总磁矩为0μB，亚稳态总磁矩为3μB，次亚稳态总磁矩为5μB；而Ga20Fe2N23H8团簇只有一个稳态，总磁矩为1μB。(2)Ga20Co2N23团簇有两个稳态，基态总磁矩为3μB，亚稳态总磁矩为0μB；而Ga20Co2N23H8团簇的基态总磁矩为1μB，亚稳态总磁矩为3μB。Ga20Co2N23 H2和Ga20Co2N23 H4(Ga位)团簇均只有一个稳态，总磁矩为3μB；Ga20Co2N23H4(N位)纳晶团簇则有三个稳态，基态总磁矩为1μB，亚稳态总磁矩为3μB，次亚稳态总磁矩为5μB。通过电子结构分析，我们发现了铁磁，反铁磁，亚铁磁，类自旋密度波型等多种纳晶磁结构。
　　 方型Oh对称TM-GaN纳晶掺杂浓度为7.7﹪，计算结果表明，(1)Ga12FeN14H32团簇具有总磁矩为4μB的亚铁磁基态；增加H原子覆盖度后，Ga12FeN14H48团簇有两个稳态：总磁矩为4μB铁磁基态和总磁矩为2μB亚铁磁亚稳态。(2) Ga12CoN14H32团簇的铁磁基态总磁矩为5μB；Ga12CoN14H48团簇的亚铁磁基态总磁矩为2μB。