Fe4N/半导体界面的电子结构和磁性的第一性原理研究

摘要

自旋电子器件将电子的自旋和电荷属性实现了应用，是材料科学和凝聚态物理课题研究的热点之一。其中，具有高自旋极化率的电极材料是提高自旋器件效率的关键因素。由于具有100％的传导自旋极化率和767K高的居里温度，Fe4N在磁性隧道结和自旋注入器件中将具有极大的应用价值。
　　本文利用密度泛函理论计算了Fe4N/势垒层(MgO、BaTiO3和BiFeO3)界面的电子结构和磁性；La2/3Sr1/3MnO3与四方相BiFeO3超晶格的磁电耦合效应；Fe4N/半导体(Si、Graphene和MoS2)异质结的自旋注入现象以及Fe?X6团簇掺杂单层MoS2的电和磁性，为磁性隧道结和自旋注入的实验设计提供理论支持。
　　通过计算Fe4N/Oxides(MgO、BaTiO3和BiFeO3)界面体系的结合能、能带结构、态密度、肖特基势垒高度、差分和平面差分电荷密度，发现与FeⅠFeⅡ和(FeⅡ)2N终端接触的MgO分别呈现出n和p型掺杂；与FeⅠFeⅡ终端接触的BaTiO3出现金属性，与(FeⅡ)2N终端接触的BaO和TiO2分别呈现出p和n型掺杂；与Fe4N接触的BiFeO3呈现出金属导电。不同的电子结构和磁性来源于不同的界面成键。
　　通过计算La2/3Sr1/3MnO3与四方相BiFeO3超晶格的解离能、能带结构、态密度和差分电荷密度，发现LaO?Fe(OB)2结构最稳定，呈现出半金属性，它的磁电耦合强度强于正交相BiFeO3的复合结构；Fe(OB)2?SrO、Fe(OB)2?MnO2、BiOA?SrO和BiOA?LaO界面处存在的Fe和Bi的铁磁有序，表明存在交换偏置现象。
　　通过计算Fe4N/Si(Graphene)双层的结合能、能带结构、态密度、差分和平面差分电荷密度，发现强的Fe4N?Si界面成键使得Si出现自旋极化；而弱的FeⅠFeⅡ、N与石墨烯界面相互作用使得石墨烯的费米能级相对于狄拉克点均向低能级转移，且后者更大的能量转移来源于石墨烯与N终端之间更大的功函数差。
　　通过计算Fe4N(111)/MoS2(√3×√3)超晶格体系的解离能、能带结构、态密度、肖特基势垒高度和差分电荷密度，发现与FeⅠFeⅡ终端接触时，强的Fe?S化学键使得MoS2出现自旋极化，当Mo坐落在FeⅠ原子上方的时候引起的磁矩最大(0.33μВ)；与N终端接触时，弱的N?S界面成键使得界面处形成p型肖特基势垒且MoS2带隙值增大。
　　通过计算Fe?X6团簇掺杂单层MoS2体系的能带结构、态密度和差分电荷密度，发现单个Fe和Fe?F6掺杂使得4×4×1超胞的单层MoS2显示出半金属性；Fe?C6和Fe?N6掺杂使得体系变为自旋无带隙半导体；Fe?O6掺杂保留了体系的半导体性质。不同的电子结构和磁性是由Xp与Fe/Mod态的杂化导致的。

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第一章 综 述

1.1 自旋电子学

1.2 高自旋极化率材料

1.3γ′–Fe4N的研究进展

1.4 磁性隧道结中的绝缘势垒层材料

1.5 自旋注入材料

1.6 本论文的工作

第二章 计算理论基础与软件介绍

2.1 绝热近似

2.2 Hartree?Fock近似

2.3 密度泛函理论

2.4 计算程序简介

第三章 Fe4N/Oxides界面及La2/3Sr1/3MnO3/T-BiFeO3超晶格

3.1 Fe4N/Oxiedes(MgO、BaTiO3、BiFeO3)界面的理论计算

3.2 La2/3Sr1/3MnO3/T-BiFeO3超晶格的理论计算

3.3 本章小结

第四章 Fe4N/Si(Graphene、MoS2)界面和团簇掺杂MoS2

4.1 Fe4N/Si和Fe4N/Graphene双层的理论计算

4.2 Fe4N/MoS2超晶格的理论计算

4.3 Fe?X6(X=S、C、N、O和F)团簇掺杂MoS2的理论计算

4.4 本章小结

第五章 总 结

参考文献

攻读硕士学位期间完成的学术论文

致谢