本文關(guān)鍵詞： ZnO 過(guò)渡金屬摻雜 亞穩(wěn)相 晶格動(dòng)力學(xué) 聲子譜 物理性質(zhì)　出處：《大連理工大學(xué)》2017年博士論文　論文類型：學(xué)位論文

【摘要】：ZnO是第三代寬禁帶半導(dǎo)體材料的代表,是目前半導(dǎo)體材料研究的熱點(diǎn)之一。在ZnO研究中,過(guò)渡金屬離子摻雜和亞穩(wěn)相是兩個(gè)比較重要的研究方向。根據(jù)Dietl等人的預(yù)測(cè),過(guò)渡金屬元素?fù)诫s的ZnO有可能具有室溫鐵磁性,有可能成為發(fā)展自旋電子學(xué)相關(guān)器件的稀磁半導(dǎo)體材料,但相關(guān)的理論和實(shí)驗(yàn)研究一直存在較大的分歧。因此,從理論上探討導(dǎo)致這一分歧的原因,對(duì)于發(fā)展ZnO基稀磁半導(dǎo)體材料具有一定的現(xiàn)實(shí)意義。另外,ZnO亞穩(wěn)相有可能在一些特殊條件下形成,了解這些ZnO亞穩(wěn)相的物理性質(zhì),對(duì)于發(fā)展新型ZnO基功能材料具有重要意義。本論文采用基于第一性原理計(jì)算的CASTEP軟件包,在廣義梯度近似(GGA)和局域密度近似(LDA)下,系統(tǒng)地研究了 ZnO過(guò)渡金屬摻雜以及ZnO亞穩(wěn)相的物理性質(zhì),主要研究結(jié)果如下:1.在基于第一性原理計(jì)算的理論研究中,人們已經(jīng)發(fā)現(xiàn)U勢(shì)修正對(duì)Co摻雜ZnO的鐵磁(FM)和反鐵磁(AFM)相的預(yù)測(cè)有較大影響,但并未深入探究導(dǎo)致這一現(xiàn)象的根本原因,因此,研究結(jié)論對(duì)確認(rèn)ZnCoO合金是否具有室溫鐵磁性沒有意義。本論文采用基于密度泛函理論的GGA方法,首先探討了 U勢(shì)修正對(duì)ZnCoO合金電子結(jié)構(gòu)的影響,并與吸收光譜實(shí)驗(yàn)結(jié)果及Tanabe-Sugano的配位場(chǎng)理論結(jié)果進(jìn)行了比較,發(fā)現(xiàn)U勢(shì)修正可以使計(jì)算的帶隙能隨Co含量的變化與實(shí)驗(yàn)結(jié)果一致,但高度局域化的Co 3d電子態(tài)的能級(jí)仍與實(shí)驗(yàn)結(jié)果之間存在較大的差異。進(jìn)一步分析發(fā)現(xiàn),U勢(shì)修正可以使Zn和Co的部分3d電子從價(jià)帶中分離出來(lái)形成局域化子帶,從而影響了 FM和AFM的形成能。U勢(shì)修正前,FM是有利的,與Co含量無(wú)關(guān);U勢(shì)修正后,低Co含量的ZnCoO合金表現(xiàn)為AFM有利,而高Co含量時(shí)(≥25%),FM的ZnCoO合金有利,更接近大多數(shù)實(shí)驗(yàn)結(jié)論,從而說(shuō)明U勢(shì)修正在過(guò)渡金屬摻雜ZnO合金的磁性研究中是必要的。同時(shí),相關(guān)的磁性計(jì)算結(jié)果說(shuō)明,ZnCoO合金中AFM和FM相之間的形成能可能非常接近,Co2+離子之間的相互作用增強(qiáng)及載流子導(dǎo)致的Ruderman-Kittle-Kasuya-Yosida作用增強(qiáng)均可能引起AFM向FM相的轉(zhuǎn)變。在此基礎(chǔ)上,通過(guò)與過(guò)渡金屬(TM)氧化物的實(shí)驗(yàn)結(jié)果比較,進(jìn)一步確定了 Fe、Ni、Mn、V、Ti、Cr等元素的U勢(shì),探討了 U勢(shì)修正對(duì)這些ZnTMO合金的電子結(jié)構(gòu)及磁性的影響。研究結(jié)果表明,U勢(shì)修正使這些ZnTMO合金的能帶結(jié)構(gòu)發(fā)生了與ZnCoO合金類似的改變,進(jìn)而使ZnTMO合金有關(guān)磁性的結(jié)論從U勢(shì)修正前的FM有利轉(zhuǎn)變?yōu)锳FM有利,但TM含量的增加,并不能引起AFM向FM轉(zhuǎn)變,說(shuō)明這些ZnTMO合金中,AFM和FM之間的能量差異較大,難以形成稀磁半導(dǎo)體,這一結(jié)論也與大多數(shù)實(shí)驗(yàn)結(jié)論吻合。2.α-BN型層狀ZnO是為數(shù)不多的幾種已經(jīng)在實(shí)驗(yàn)上合成的ZnO亞穩(wěn)相材料之一,但相關(guān)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果十分有限,因此,目前對(duì)這種新型材料的物理性質(zhì)知之甚少。本論文采用基于密度泛函理論的GGA方法,計(jì)算了α-BN型層狀ZnO的電子結(jié)構(gòu)、聲子譜及各種物理性質(zhì),包括介電函數(shù)、紅外反射譜及力學(xué)和熱學(xué)性能,并通過(guò)與纖鋅礦ZnO計(jì)算結(jié)果的比較對(duì)α-BN型層狀ZnO的物理性質(zhì)進(jìn)行詳細(xì)分析。電子結(jié)構(gòu)分析表明,α-BN型層狀ZnO屬于間接帶隙半導(dǎo)體,禁帶寬度比纖鋅礦ZnO略大。晶格動(dòng)力學(xué)結(jié)果表明,α-BN型層狀ZnO與纖鋅礦ZnO有著相似的聲子模,但聲子色散關(guān)系在c軸方向上差異較大,從而使得α-BN型層狀ZnO具有比纖鋅礦ZnO更寬的紅外反射帶,幾乎覆蓋了 600cm-1以下的整個(gè)紅外波段。此外,通過(guò)與實(shí)驗(yàn)結(jié)果比較,確認(rèn)實(shí)驗(yàn)上觀察到的拉曼峰屬于α-BN型層狀ZnO的E2ghigh聲子模。力學(xué)性能計(jì)算表明,α-BN型層狀ZnO屬于是脆性材料,硬度是纖鋅礦ZnO的3.6倍左右。此外,α-BN型層狀ZnO與纖鋅礦ZnO有著相似的熱學(xué)性質(zhì)。3.NiAs型和β-BeO型ZnO是近年來(lái)剛剛發(fā)現(xiàn)的兩個(gè)新的ZnO亞穩(wěn)相,盡管人們已經(jīng)研究了這兩種亞穩(wěn)相ZnO的電子結(jié)構(gòu),但對(duì)其物理性質(zhì)的研究報(bào)道不多。本論文分別采用GGA+U和LDA方法,計(jì)算了不同壓強(qiáng)下NiAs型ZnO和β-BeO型ZnO的電子結(jié)構(gòu)、聲子譜及物理性質(zhì)包括光學(xué)、力學(xué)和熱學(xué)性質(zhì),并與纖鋅礦ZnO進(jìn)行了比較。研究結(jié)果表明,NiAs型ZnO的導(dǎo)帶底位于Γ點(diǎn),而價(jià)帶相對(duì)平緩,表明NiAs型ZnO屬于重空穴材料。NiAs型ZnO的剛度系數(shù)Cij隨壓強(qiáng)變大而增大。β-BeO型ZnO屬于直接帶隙半導(dǎo)體,介電常數(shù)約為2.1,比纖鋅礦ZnO略小,其介電函數(shù)隨著壓強(qiáng)的增大而出現(xiàn)藍(lán)移趨勢(shì)。晶格動(dòng)力學(xué)結(jié)果顯示,NiAs型ZnO的光學(xué)模中只有E2g是拉曼活性的;其紅外反射譜中的剩余輻射帶寬約為250 cm-1,介于纖鋅礦ZnO和α-BN型層狀ZnO之間。此外,與α-BN型層狀ZnO類似,β-BeO型ZnO可能在低溫下也具有負(fù)的熱膨脹系數(shù)。
[Abstract]:On the basis of the theory of density functional theory , it has been found that U - potential correction has great influence on the Fe ( FM ) and antiferromagnetic ( AFM ) phase of Co - doped ZnO . The electron structure , phonon spectrum and physical properties of 偽 - BN - type layered ZnO are studied . The results show that 偽 - BN - type layered ZnO is one of the few ZnO metastable phase materials which have been synthesized in experiments . In addition , the 尾 - Be - type ZnO may have a negative coefficient of thermal expansion at low temperatures .

【學(xué)位授予單位】：大連理工大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2017
【分類號(hào)】：TN304.21

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本文編號(hào)：1536457