近年來,實驗上發(fā)現(xiàn)的不被期望的d0鐵磁性現(xiàn)象挑戰(zhàn)了傳統(tǒng)的磁學理論,引發(fā)了磁學界的激烈爭論成為研究的熱點。作為銜接實驗與理論的計算模擬方法是探索d0鐵磁性現(xiàn)象背后真實物理機制必不可少的方式。本文采用基于密度泛函理論(DFT)的電子結(jié)構(gòu)計算方法,對存在d0鐵磁性現(xiàn)象的過渡金屬氧化物(TiO2、HfO2)、兩性氧化物(Sn02)、以及堿性氧化物(MgO)的低維體系進行了系統(tǒng)的第一性原理計算研究,為揭示實驗上所觀察到的d0鐵磁性現(xiàn)象提供了非常重要的理論依據(jù)。本文的主要研究成果及結(jié)論如下： 第一、GGA+U方法計算研究表明銳鈦礦型Ti02(001)表面位于脊處的氧空位VOA是最穩(wěn)定的空位缺陷,VOA缺陷可以產(chǎn)生1.63μB的磁矩,且主要是由VOA周圍Ti原子的3d軌道電子貢獻；同時,VOA會在體系的帶隙中距離導帶低約0.94eV處產(chǎn)生一個自旋極化的缺陷態(tài)；雖然當兩個VOA之間的距離為5.340A時,由于Ti-Ti間距離的減小會導致體系出現(xiàn)自旋二聚物現(xiàn)象,使得體系處于低自旋態(tài),然而不同距離VOA磁性耦合研究發(fā)現(xiàn)鐵磁性依然是主要的。此外,對銳鈦礦型Ti02(001)表面另一種位于谷處的氧空位VOB的研究發(fā)現(xiàn)其性質(zhì)與氧空位VOA類似,VOB也可以在體系中產(chǎn)生局域磁矩(1.48μB),且不同距離的VOB之間的磁性耦合也是鐵磁性的。 第二、采用電子結(jié)構(gòu)計算方法研究銳鈦礦型TiO2(101)表面發(fā)現(xiàn)只有三配位的氧原子(O3c)產(chǎn)生的空位VO3c可以在體系中產(chǎn)生穩(wěn)定的局域磁性態(tài),產(chǎn)生的磁矩為1.05μB；且磁矩主要由VO3c周圍三個Ti原子的3d軌道電子貢獻；VO3c可以在費米能以下約0.22eV處形成一個自旋極化的缺陷態(tài)。不同距離VO3c之間的磁性耦合也是鐵磁性的。 第三、界面體系TiO2/SrTiO3的第一性原理計算研究結(jié)果表明界面處TiO2層中的氧空位VO1是最穩(wěn)定的氧空位缺陷,可以產(chǎn)生0.36μB的磁矩,且主要由VOI周圍Ti原子的3d軌道電子貢獻；研究還發(fā)現(xiàn),結(jié)構(gòu)弛豫對TiO2/SrTiO3界面體系產(chǎn)生磁性有重要影響,弛豫會導致VOl空位周圍Ti-Ti鍵長的增加,不會引起自旋二聚物的產(chǎn)生,使得體系由弛豫前的低自旋態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)槌谠ズ蟮母咦孕龖B(tài)。此外,界面處VOl空位之間也是鐵磁性耦合的。 第四、單斜結(jié)構(gòu)Hf02(111)以及(111)表面的計算研究結(jié)果表明單個孤立的氧空位并不能在Hf02表面產(chǎn)生磁性,但是由兩個氧空位形成的復合缺陷(CDOV)卻可以在(111)以及(111)表面產(chǎn)生穩(wěn)定的局域磁矩。然而CDOV需要滿足兩個基本條件：首先,CDOV中有氧空位可以產(chǎn)生非基態(tài)的鐵磁性狀態(tài)；其次,CDOV中兩個氧空位之間的距離必須小于或等于臨界距離dCDOV,計算結(jié)果顯示HfO2(111)以及(111)表面的dCDOV分別為2.792A、2.957A。研究表明滿足這兩個基本條件的氧空位復合缺陷CDOV可以在HfO2(111)、(111)表面體系中產(chǎn)生穩(wěn)定的局域磁性態(tài),磁矩大小均為2.0μB,且均是由相應CDOV周圍Hf原子的d軌道電子貢獻。 第五、第一性原理計算研究含氧缺陷的金紅石型Sn02(001)以及(110)表面的計算結(jié)果表明無論是單個氧空位缺陷還是由兩個最近鄰氧空位形成的復合缺陷均不能在體系中產(chǎn)生局域磁矩,體系是非磁性的。 第六、MgO(001)表面GGA方法研究表明氧空位缺陷以及兩個最近鄰的氧空位形成的復合缺陷均不會在體系中引入局域磁矩；而Mg空位可以在(001)表面產(chǎn)生磁性,研究發(fā)現(xiàn)單個Mg空位可以產(chǎn)生0.35μB的磁矩。此外,MgO(001)表面不同距離Mg空位之間的磁性耦合研究發(fā)現(xiàn)最近鄰的兩個Mg空位之間是反鐵磁性耦合的；而次近鄰的兩個Mg空位之間卻是鐵磁性耦合的,且可在體系中產(chǎn)生4.00μB的磁矩,計算表明磁矩均是由O原子的2p軌道電子貢獻。
【學位授予單位】：南開大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2014
【分類號】：TM27

【參考文獻】

相關(guān)期刊論文 前4條

1 蔣然;張燕;;Observation of ferromagnetism in highly oxygen-deficient HfO_2 films[J];半導體學報;2009年10期

2 馬新國;唐超群;黃金球;胡連峰;薛霞;周文斌;;銳鈦礦型TiO_2(101)面原子幾何及弛豫結(jié)構(gòu)的第一性原理計算[J];物理學報;2006年08期

3 翁臻臻;張健敏;黃志高;林文雄;;Effect of oxygen vacancy defect on the magnetic properties of Co-doped ZnO[J];Chinese Physics B;2011年02期

4 李東翔;秦秀波;鄭黎榮;李玉曉;曹興忠;李卓昕;楊靜;王寶義;;Defect types and room-temperature ferromagnetism in undoped rutile TiO_2 single crystals[J];Chinese Physics B;2013年03期

相關(guān)博士學位論文 前1條

1 陳國紅;二氧化鉿體系電子結(jié)構(gòu)及硅納米線力學行為的第一性原理研究[D];復旦大學;2010年

本文編號：1678188