ZnO系列和过渡金属掺杂GaN体系几何结构与电子性质的第一性原理研究

摘要

本文利用基于密度泛函理论的第一性原理计算方法(赝势平面波方法)研究了三个方面的内容，具体如下: 一、低压下ZnO的结构转变．主要是结合已有的实验和理论的结果，利用状态方程和弹性模量的计算来探讨ZnO在低压下从B4结构转变为B1结构的结构转变的路径，其中利用状态方程研究相变的部分还包括有低压下ZnS的结构转变的研究．研究表明在P=12.4 GPa和P=17.85 GPa时，B4结构的ZnO和B3结构的ZnS会发生相变，转变成B1结构，计算结果与已有的实验和理论计算结果相符合．分析表明，相变的发生与外压增强导致晶体内电子之间的相互作用不断增强有关．在B4结构的ZnO转变成B1结构的ZnO的初始转变阶段，B4结构的ZnO中a减小，伴随有c/a的增大和u的减小． 二、ZnO以及相关材料的电子和光学性能的研究．材料主要包括有Zn4-yXyM(y=0或1:M=N，Sb，C1或I)和尖晶石结构的ZnAl2O4和MgAl2O4及其对应的氧化物．对于Zn4-yXM(y=0或1；M=N，Sb，Cl或I):研究表明Zn4-yXyM(y=0或1；M=N，Sb，Cl或I)中，Zn d-Xp轨道电子之间的相互作用对体系中载流子的特性有很大的影响，减小这种相互作用可以提高形成p-型半导体的可能，反之，则加大了形成p-型半导体的困难；研究还发现，Zn4-yXyM中杂质的类型对ZnX光学谱线的有影响，本征n-型半导体(如ZnS)的光谱形貌与掺杂有p-型杂质(如Ns)的掺杂体系的光谱形貌较与掺杂有n-型杂质(如Cls)的掺杂体系的光谱更为相似；本征p-型半导体(如ZnTe)的光谱形貌与掺杂有n-型杂质(如ClTe)的掺杂体系的光谱形貌较与掺杂有p-型杂质(如NTe)的掺杂体系的光谱更为相似．对于ZnAl2O4和MgAl2O4及其对应的氧化物:研究指出，ZnAl2O4的中Zn d对体系中电子相互作用以及性能的影响没有Zn d在ZnO中的大，由MO、Al2O3合成的MAl2O4体系的电子结构虽然有很多相似的地方，但由于原子重新组成，形成了新的化学键，虽然合成后的化合物和合成前的化合物中电子在能级间可能发生跃迁的轨道基本上相同，但对应的能量有区别，这样就导致了合成后化合物的光学谱线与合成前的有很大的不同，不能直接对比． 三、Gal-xMNx(X=0.5，0.125，0.037；M=Ti，V，Cr，Mn，Fe，Co)的电子结构和磁性能的研究．主要探讨了不同浓度的过渡金属掺杂在GaN中的极化磁矩的变化及其对周围近邻离子的影响．研究表明，过渡金属离子的外围电子的排布对掺杂后体系的性能有很大影响，电子排布不同，掺杂后体系中过渡金属离子上的极化磁矩大小不同，其所对应的近邻离子的极化磁矩的方向也不尽相同，掺杂后杂质能极与Fermi面的关系不同；掺杂浓度对过渡金属的极化磁矩影响相对来说不大，不同掺杂浓度下过渡金属离子在掺杂化合物中的极化磁矩相差不到1μB，但与其最近邻离子的极化有很大的影响，掺杂浓度不同，近邻离子的极化磁矩的大小不同，方向也可能发生改变，对过渡离子在掺杂体系中的价态影响很大，不同掺杂浓度可能对应着不同的价态．研究还发现，仅从过渡金属离子在掺杂体系中的状态考虑，对GaN基DMS材料来说，掺杂Cr是最好的，但就其对近邻离子的影响来说，掺杂Fe和Co更利于形成稳定的铁磁基态．

目录

文摘

英文文摘

声明

第一章绪论

1.1ZnO等Ⅱ-Ⅵ族材料的研究现状

1.2基于GaN的DMS材料的研究现状

1.3本论文研究的目的和内容

1.4参考文献

第二章第一原理电子结构计算方法

2.1引言

2.2密度泛函理论

2.2.1Born-Oppenheimer近似(绝热近似)——多体问题转化为多电子问题

2.2.2Hartrre-Fock近似(单电子近似)——多电子问题转化为单电子问题

2.2.3Hohenberg-Kohn定理

2.2.4Kohn-Sham方程

2.2.5交换关联能

2.2.6密度泛函的自洽求解

2.3赝势平面波方法

2.4计算程序简介

2.4.1态密度(DOS)和分波态密度(PDOS)的计算

2.4.2晶体结构的优化

2.4.3弹性模量的计算

2.4.4光学性能的计算

2.4.5本章小结

2.5参考文献

第三章低压下ZnO和ZnS晶体的结构转变探讨

3.1引言

3.2能量状态方程在BCC结构的单晶锂上的应用

3.3应用BM-2状态方程求有限压强范围内的相变

3.3.1计算过程

3.3.20-15GPa压强范围内ZnO的结构转变

3.3.3利用状态方程求解低压下ZnS的结构转变

3.4ZnO晶体低压范围内从B4相转变为B1相的相变路径探讨

3.4.1计算过程

3.4.2结果与讨论

3.5本章小结

3.6参考文献

第四章ZnO系列材料及其相关材料的光学性质的研究

4.1引言

4.2计算过程

4.3Zn4-yXyM(y=0或1；M=N、Sb、C1或I)的电子结构和光学性质

4.4尖晶石结构的ZnAl2O4，MgAl2O4及其对应氧化物的光学性质比较

4.5小结

4.6参考文献

第五章3d过渡金属掺杂的GaN0体系的电子和磁结构的研究

5.1引言

5.2计算过程

5.2.1超元胞结构的计算

5.2.2磁矩的计算

5.3结果与讨论

5.3.1掺杂体系中过渡金属离子的电子和磁结构

5.3.2掺杂体系中过渡金属离子最近邻阴阳离子的电子和磁结构

5.4本章小结

5.5参考文献

第六章总结与展望

6.1总结

6.2展望

致谢

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