稀磁半導(dǎo)體及二元半金屬鐵磁體的第一性原理研究.doc

稀磁半導(dǎo)體及二元半金屬鐵磁體的第一性原理研究研究的的原因：對稀磁半導(dǎo)體的磁性原子的耦合關(guān)系只是片面的，沒有與實(shí)際實(shí)驗(yàn)相聯(lián)系。（1）磁性原子能否摻入半導(dǎo)體，能否替代到半導(dǎo)體中去，這涉及到雜質(zhì)缺陷形成能的問題；（2）磁性原子在半導(dǎo)體中的價(jià)態(tài)和費(fèi)米能的變化對磁性的影響；（3）磁性雜質(zhì)間相互作用的距離，摻雜濃度相互作用的閥值和磁性原子形成團(tuán)簇的趨勢。研究的方法：本文只要以密度泛函理論為基礎(chǔ)的第一性原理的計(jì)算。通過Hohenberg-Kohn定理說明了離子束密度函數(shù)是確定多粒子系統(tǒng)基態(tài)物理性質(zhì)的基本變量以及能量泛函對粒子數(shù)密度函數(shù)的變分是確定系統(tǒng)基態(tài)的途徑。通過Kohn-sham方程解決了粒子數(shù)密度函數(shù)和確定了動(dòng)能泛函，又通過局域密度近似、廣義梯度近似等方法確定了交換關(guān)聯(lián)能泛函。同時(shí)，應(yīng)用了贗勢方法和PAW方法，對其全電子波河全電子勢的研究，在密度泛函的，應(yīng)用電子波函數(shù)的基函數(shù)展開，和對其結(jié)構(gòu)的優(yōu)化的方法。 研究的內(nèi)容：首先，對ZnO:Cu和TiO2:V兩類稀磁半導(dǎo)體基稀磁半導(dǎo)體進(jìn)行第一性原理性設(shè)計(jì)研究，計(jì)算它們?nèi)毕菪纬赡?，找出利用制備的外界環(huán)境；找出有利的磁性相互作用的過渡原子價(jià)態(tài)，計(jì)算出在該價(jià)態(tài)的磁性相互作用于距離之間關(guān)系；得到有利于相互作用的費(fèi)米能級區(qū)域，進(jìn)而對半導(dǎo)體的本征缺陷的影響進(jìn)行評價(jià)，并提出有利的共摻雜元素的參考；判斷磁性原子是否有形成團(tuán)簇的趨勢；并對著兩類稀磁半導(dǎo)體的磁性相互作用的起源作探討。其次，對二元過渡金屬硫化物和磷化物半金屬，選取V基硫化物和磷化物作研究對象。結(jié)合實(shí)驗(yàn)中二元半金屬薄膜在外延生長等非平衡手段下的獲得，在二維應(yīng)力的情況對V基半金屬薄膜進(jìn)行第一性原理模擬計(jì)算。針對Zinc-blende型半導(dǎo)體襯底上生長的本質(zhì)，考慮到如下三方面：（1）對其基態(tài)結(jié)構(gòu)和Zinc-blende型半導(dǎo)體的不同界面的匹配，設(shè)計(jì)出最優(yōu)模型，并對其幾何結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性進(jìn)行討論；（2）對三維拉伸應(yīng)力情況下，二元過渡金屬出現(xiàn)半金屬的不同，在二維時(shí)，對V基化合物的電子結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性；（3）對最有前景的兩種半金屬材料CrSe及MnSb，利用最優(yōu)模型，對其幾何穩(wěn)定性進(jìn)行討論。研究的成果：一、在富氧的情況下，Cu替代Zn的形成能較低，可以摻入較大的量。Cu是一個(gè)弱的p型雜質(zhì)，Cu2+/Cu+的過渡能級在價(jià)帶頂以上0.98ev。Cu2+具有1uB的磁矩，而Cu+沒有磁矩，Cu2+之間的是一種短程相互作用，并且具有一定的方向性。因此n型樣品沒有磁性，而p型樣品有磁性。Cu2+原子在近鄰構(gòu)型下，能量較低，有形成Cu-O-Cu團(tuán)簇的趨勢，且依舊保持鐵磁性耦合關(guān)系。Cu的磁性來源于p-d跳躍相互作用，而這也是引起Cu團(tuán)簇的原因。二、通過第一性原理計(jì)算研究了V摻入銳鈦礦結(jié)構(gòu)TiO2的電子結(jié)構(gòu)，計(jì)算了V替代的Ti的缺陷形成能，VTi的缺陷電荷態(tài)的穩(wěn)定性及其相關(guān)的磁性。進(jìn)一步考慮了N,F,Cl共摻雜TiO2:V的可能性。當(dāng)在p型樣品中V趨于+5價(jià)，而在n型樣品中V能穩(wěn)定在+3與+4價(jià)。+5價(jià)的V原子沒有磁矩，+3價(jià)與+4價(jià)的V原子具有磁矩。V4+對V3+對之間都為鐵磁態(tài)耦合關(guān)系，并且在近鄰的構(gòu)型下，能量較低，其磁性來源與p-d的跳躍相互作用。在富金屬態(tài)的情況下，非金屬共摻雜元素與VTi都具有較低的形成能，n型共摻雜元素F，Cl能對系統(tǒng)的磁性起到加強(qiáng)作用，而p型共摻雜N型將使系統(tǒng)的磁性消失。因此，具有n型特征的TiO2:V樣品可用于磁性與光學(xué)性能復(fù)合的材料應(yīng)用。三、利用二維應(yīng)力模型顯示ZB型二元V基化合物其鐵磁性標(biāo)準(zhǔn)較易實(shí)現(xiàn)，VSe，VTe，及VAs在所考慮的襯底范圍基本保持半金屬性。但二元V基化合物的ZB結(jié)構(gòu)外延能量始終高于使用最優(yōu)匹配模型的NiAs型結(jié)構(gòu)的外延能量，同樣也包括具有實(shí)現(xiàn)前景的CrSe與MnSb，因此其幾何幾何結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性難以實(shí)現(xiàn)。所以對自旋注入材料將需要更注入超薄的ZB型半金屬薄膜的研究。發(fā)展前景：對稀磁半導(dǎo)體，實(shí)驗(yàn)的重復(fù)性不高，制備環(huán)境對其性能的影響很大，磁性易受外界雜質(zhì)及磁性團(tuán)簇干擾，其樣品的表征技術(shù)要求很高，其樣品及磁性雜質(zhì)的微結(jié)構(gòu)對樣品的性能影響很大。利用第一性原理計(jì)算雖能從根本上對其性質(zhì)進(jìn)行認(rèn)識(shí)進(jìn)而得到理想的材料，性質(zhì)第一性原理計(jì)算只能在百個(gè)原子量級內(nèi)進(jìn)行計(jì)算，要求對計(jì)算模型的研究，找出影響材料的主要性能。同時(shí)針對密度泛函理論的交換關(guān)聯(lián)能對過渡金屬原子描述的誤差。 對半金