d0铁磁性掺杂结构和超晶格结构的结构，磁性和电子性质的第一性原理研究

摘要

自旋电子学器件，被称为第二代电子学器件，同时利用了电子的电荷和自旋作为载体来进行信息处理和存储，有望突破传统电子学器件的极限。特别地，对于在自旋电子学器件中的半金属铁磁体，因为其费米能级处的自旋极化在理论上可能比普通磁性材料具有更高的磁阻效应，具有100％的自旋极化，并且其电阻率与半导体相匹配的很好，因此半金属铁磁体在全球范围内都吸引了广泛的关注。近年对半金属的研究逐渐转向了无磁性元素的半金属铁磁体的研究，因为其可以解决磁性元素较重导致的磁团簇和磁沉淀等问题。本文用第一性原理方法研究了无磁性元素掺杂结构PbA0.75M0.25(A=Sand Se;M=B，CandN)和超晶格结构(CaX)1/(YX)1(001)(Y=Al,Ga,and In;X=N,P,and As)、(CaN)1/(AlN)x和(CaN)x/(AlN)1(x=2，3）的结构，磁性和电子性质，主要的研究内容及结果如下:
　　(1)对于掺杂结构PbA0.75M0.25(A=S and Se; M=B，C and N)，计算结果显示C-和N-掺杂可以在PbS和PbSe半导体体系引起磁性，而B-掺杂并不引起磁性。自旋相关的电子能带结构、总态密度、和分态密度的计算结果费米能级附近C-和N-杂质的2p态对磁性的产生起主要作用。另外，压强条件下的计算表明，负压情况下，C-体系可以转变成为半金属铁磁材料。
　　(2)对于超晶格结构(CaX)1/(YX)1(001)(Y=Al，Ga，and In;X=N，P，and As)，计算结果显示所有这9个超晶格都是半金属铁磁体，并且它们的磁矩为1μB。磁性从本质上来说来自于阴离子N，P，As的p轨道。另外，这些超晶格非常大的半金属带隙，晶格参数变化时稳定的半金属性，与一些对应的ZB结构的半导体之间较匹配的晶格常数等使它们成为成功的自旋电子学最理想的原料。
　　(3)对于超晶格结构(CaN)1/(AlN)x和(CaN)x/(AlN)1(x=2，3），计算结果表明这四种超晶格展现了非常稳定的半金属铁磁性性质，其中(CaN)1/(AlN)2的磁矩为1μB，(CaN)2/(AlN)1的磁矩为2μB，(CaN)1/(AlN)3的磁矩为1μB，(CaN)3/(AlN)1的磁矩为3μB。分态密度的分析结果显示N原子与Ca原子之间的p-d杂化作用是导致磁性产生的主要原因。除此之外，本研究的结果还说明可以通过调节多层数超晶格的不同材料的层数比来控制其磁性性质。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 半金属铁磁体的介绍

1．2 d0元素半金属铁磁体的研究现状

第二章 基本理论和计算方法

2．1 密度泛函理论

2．1．1 理论产生背景

2．1．2 理论的思想和基础

2．1．3 理论问题的主要解决方法

2．1．4 赝势近似能带计算

2．2 SCF迭代和计算过程

第三章 掺杂结构PbA0．75M0．25的研究

3．1 研究背景

3．2 计算方法和细节

3．3 结构、电子、和磁性性质

3．4 本章小结

第四章 超晶格结构(CaX)m／(YX)n(001)体系的磁性研究

4．1 研究背景

4．2 计算方法和细节

4．3 闪锌矿结构超晶格(CaX)1／(YX)1(001)的磁性研究

4．4 层数变化和加U对结构磁性的影响

4．5 本章小结

参考文献

致谢

硕士期间成果