【摘要】：隨著半導(dǎo)體自旋電子學(xué)的興起,稀磁半導(dǎo)體成為研究的熱點。目前研究的關(guān)鍵問題就是要尋找具有高自旋極化率、高居里溫度的稀磁半導(dǎo)體材料。3C-SiC納米線作為一種潛在的稀磁半導(dǎo)體,在實驗方面已經(jīng)具有了室溫鐵磁性,但是對于其產(chǎn)生室溫鐵磁性的微觀機制的研究還相對較少,其鐵磁態(tài)可能與空位、摻雜雜質(zhì)等因素有關(guān)。因此本文采用第一性原理計算方法從形成能、能帶結(jié)構(gòu)、態(tài)密度、自旋密度以及Mulliken布居數(shù)等方面,對本征3C-SiC納米線、含有不同價態(tài)的Si空位或者不同價態(tài)的Si-C雙空位的3C-SiC納米線、不同過渡金屬(Transition Metal,TM)摻雜的3C-SiC納米線、不同Mn摻雜濃度的3C-SiC納米線、空位與不同過渡金屬絡(luò)合摻雜的3C-SiC納米線的電子結(jié)構(gòu)和磁性性質(zhì)進行了研究。主要結(jié)論如下:1.本征3C-SiC納米線不具有磁性,中性Si空位和Si-C雙空位的引入也不能使3C-SiC納米線具有磁性,而引入帶負(fù)價態(tài)的Si空位和Si-C雙空位均可以使3C-SiC納米線具有磁性,由態(tài)密度分析可知其磁性的來源均為C-2p態(tài)的自旋劈裂。含負(fù)一價Si空位、負(fù)二價Si空位、負(fù)一價Si-C雙空位的納米線磁矩分別為2uB、3UB和1uB。其中含負(fù)一價Si空位的納米線與含負(fù)一價Si-C雙空位的納米線均為反鐵磁性穩(wěn)定,而含負(fù)二價Si空位的納米線有可能在室溫下保持穩(wěn)定的鐵磁態(tài)。2.在不同過渡金屬(Fe,V,Cr,Mn)摻雜的3C-Si36T MC37納米線中,Fe摻雜的納米線具有金屬特性且無磁性,而V,Cr,Mn摻雜的納米線均為半金屬材料且具有磁性,其磁矩分別為1uB、2UB和3uB,并且納米線均為鐵磁性穩(wěn)定。由態(tài)密度分析可知其磁性的來源均為TM-3d態(tài)與C-2p態(tài)的p-d雜化作用。其中Cr摻雜3C-SiC納米線的半金屬帶隙最大,居里溫度最高,因而可以成為優(yōu)質(zhì)的半金屬性鐵磁體。除此之外還討論了不同Mn摻雜濃度對3C-SiC納米線磁性的影響,即隨著Ma摻雜濃度的增加,C-2p態(tài)和Mn-3d態(tài)劈裂的程度增大、總磁矩也增大。3.在空位與不同過渡金屬絡(luò)合摻雜的3C-SiC納米線中,3C-Si36FeeC36納米線、3C-Si33VC36納米線線、C3SSi36CrC36米米線、C3-Si3MMnC6納米線均具有磁性,其磁矩分別為為4UB、1UB、4uB和5UB由由密度分析可知其磁性的來源均為TTM-3態(tài)與C-2P態(tài)、Si-3P態(tài)的p-d雜化作用。其中3C-Si36FFeC36納米線和3C-VC36納米線具有金屬特性且為反鐵磁性穩(wěn)定,而3C-Si36CrC36納米線和3C-Si36MnC36納米線為半金屬材料且為鐵磁性穩(wěn)定。且相比于 3C-Si36CrC37納米線和 3C-Si36MnC37納米線,3C-Si36CrCr36納米線和3C-Si36MnC36納米線的半金屬帶隙和居里溫度均有所降低。
【學(xué)位授予單位】：西安理工大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2019
【分類號】：TN304.7
【圖文】：

體材料一直以來都是制備微電子器件的主要材料，并且半導(dǎo)體器件工藝半導(dǎo)體自旋電子學(xué)成為研究的熱點。相比于傳統(tǒng)的半導(dǎo)體器件，自旋半性好、運行速度快、高集成密度、非易失性、低能量消耗等優(yōu)點。半導(dǎo)體自旋電子學(xué)的興起，則同時具有磁性性質(zhì)與半導(dǎo)體性質(zhì)的材料—iluted Magnetic Semiconductors, DMS)成為了各國的研究熱潮[3-5]。稀磁半料的基礎(chǔ)上通過磁離子摻雜使材料同時具有磁性性質(zhì)和半導(dǎo)體性質(zhì)。由料相比，該類半導(dǎo)體所具有的磁性較弱，因此為稀磁半導(dǎo)體。圖 1-1 為半導(dǎo)體與非磁性半導(dǎo)體比較的示意圖[6]，由圖可以看出磁性半導(dǎo)體材料期性排列，稀磁半導(dǎo)體中僅具有較少的磁性離子，而非磁性半導(dǎo)體中并磁性的材料根據(jù)其電子自旋排列主要可以分為四類，即順磁性、反鐵磁磁性材料。順磁性材料的自旋在空間上的取向是無序的；反鐵磁性材料列方式相反但是其磁量子數(shù)都是相等的；亞鐵磁性材料則是相鄰自旋的量子數(shù)不等；鐵磁性材料的相鄰自旋都是沿著同一個方向排列；圖 1-2 旋排列示意圖[7]。(a) (b) (c)

圖 1-2 自旋排列示意圖：(a)順磁性；(b)反鐵磁性；(c)亞鐵磁性；(d)鐵磁性-2 Spin arrangement diagram: (a) Paramagnetic; (b)Antiferromagnetic; (c) Ferrim(d) Ferromagnetic半導(dǎo)體材料中的載流子即電子和空穴，它們上下自旋的數(shù)量是相等極化現(xiàn)象。但是稀磁半導(dǎo)體由于摻雜了一些特殊的雜質(zhì)即磁性雜質(zhì)現(xiàn)象。相比于傳統(tǒng)的半導(dǎo)體材料，稀磁半導(dǎo)體材料具有以下幾個特質(zhì)之間的相互作用即磁耦合作用會使材料具有鐵磁性或者反鐵磁性的載流子會和磁性雜質(zhì)的局域磁矩發(fā)生相互交換作用，從而影響半帶結(jié)構(gòu)、雜質(zhì)能級等性質(zhì)，并且這些性質(zhì)會隨外加磁場而變化，因場的大小和方向來改變材料整體的物理性質(zhì)。通過改變摻雜種類和導(dǎo)體材料的晶格常數(shù)、能帶結(jié)構(gòu)、禁帶寬度、載流子有效質(zhì)量等物磁、光、電性能的調(diào)控。因此稀磁半導(dǎo)體在自旋量子計算機、自旋、半導(dǎo)體集成電路、自旋閥、光隔離器、磁感應(yīng)器、高密度非易失領(lǐng)域具有非常廣闊的應(yīng)用前景[8-9]。半導(dǎo)體材料的研究方面，最重要的問題就是要尋找具有在高居里溫

-Si19C19納米線模型 (a)頂視圖；(b)側(cè)視圖 (黃色球代表 Si 原子，灰色球代表 C 原子，白代表 H 原子)g. 3-1 The model of 3C-Si19C19nanowire (a) Top view; (b) Side view (The yellow ball are Si atothe gray ball are C atoms, and the white ball are H atoms)-2 3C-Si37C37納米線模型 (a)頂視圖；(b)側(cè)視圖 (黃色球代表 Si 原子，灰色球代表 C 原子色球代表 H 原子)g. 3-2 The model of 3C-SiCnanowire (a) Top view; (b) Side view (The yellow ball are Si ato(a) (b)

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