Ⅰ-Ⅱ-Ⅴ族基新型稀磁半導(dǎo)體的磁電性質(zhì)研究
發(fā)布時(shí)間：2021-03-26 03:24
兼具磁性和半導(dǎo)體特性的稀磁半導(dǎo)體在自旋電子領(lǐng)域有廣泛的應(yīng)用前景,與傳統(tǒng)的Ⅱ-Ⅴ族和Ⅲ-Ⅴ族稀磁半導(dǎo)體相比,Ⅰ-Ⅱ-Ⅴ族基新型稀磁半導(dǎo)體能夠?qū)崿F(xiàn)自旋和電荷注入機(jī)制的分離,且磁性離子的固溶度不受限制,這為研究稀磁半導(dǎo)體提供了新方向,也為制備居里溫度高于室溫的材料和研究磁性來源機(jī)理提供了可能。本文首先采用第一性原理計(jì)算方法,對不同濃度Mn摻雜LiMgN、Ag-Cr共摻LiZnP和不同濃度Mn/Cr摻雜LiCdAs的電子結(jié)構(gòu)和光學(xué)性質(zhì)進(jìn)行了研究;然后通過高溫固相反應(yīng)法,成功制備了Li1.04(Cd1-xMnx)As和Li1.04(Cd1-xCrx)As兩種塊狀材料,測量了其磁電性質(zhì)。研究結(jié)果表明:（1）不同濃度Mn摻雜LiMgN體系計(jì)算發(fā)現(xiàn):Mn摻雜給體系提供了自旋,Li含量對體系導(dǎo)電性質(zhì)有影響,LiMgN體系的磁性和電性的分離調(diào)控以及提高體系居里溫度可以通過Mn的摻入和改變Li、Mn的含量來實(shí)現(xiàn)。（2）Ag-Cr共摻LiZnP體系理論計(jì)算得到:Ag單摻時(shí)體系內(nèi)無...
【文章來源】：重慶師范大學(xué)重慶市
【文章頁數(shù)】：81 頁
【學(xué)位級別】：碩士
【部分圖文】：
(Ga,Mn)As和Li(Zn,Mn)As晶體結(jié)構(gòu)示意圖
星星等[47]利用 GGA+U 計(jì)算了 Mn 摻雜 LiCaP 稀磁半導(dǎo)體，發(fā)現(xiàn) Mn 的摻入和改變Li 的含量可以對 LiCaP 半導(dǎo)體進(jìn)行電性和磁性的分離調(diào)控；徐建[48]計(jì)算了 Mn 摻雜 LiZnN 稀磁半導(dǎo)體，通過海森堡模型發(fā)現(xiàn) Li 空位可以提高體系的居里溫度，可達(dá)到 575K，實(shí)驗(yàn)上對 Mn/Cr 摻雜 LiZnP 進(jìn)行了一系列研究。1.4 I-II-V 族基新型稀磁半導(dǎo)體的晶體結(jié)構(gòu)I-II-V 化合物屬于“四面體結(jié)構(gòu)”的一類，可以看作是在閃鋅礦 III-V 族化合物中，三族原子被“歧化”成 I+II 族原子，I 族原子通常是占據(jù)閃鋅礦晶胞的四面體間隙位[49]，也被稱為 Nowotny-Juza 化合物[50]。如圖 1.4 所示，閃鋅礦晶體結(jié)構(gòu)排布：II 族位于τ1=(0, 0, 0)ɑ（ɑ是晶格常數(shù)），V 族位于τ2=(1/4,1/4,1/4)ɑ。立方晶體結(jié)構(gòu)允許 Li 原子填隙在τ3=(1/2,1/2, 1/2)ɑ[51]。I 族：Li、Na、Cu、Ag；II 族：Mg、Zn、Cd；V 族：N、P、As、Sb、Bi。I-II-V 化合物被預(yù)測為帶隙能量范圍為 1.3-2eV 的直接帶隙半導(dǎo)體[52]。
圖 3.1 超晶胞結(jié)構(gòu)圖 (a)Li1±0.0625(Mg0.9375Mn0.0625)N;(b) Li1±0.125(Mg0.875Mn0.125)N3.2.2 計(jì)算方法本章計(jì)算中采用周期性邊界條件，是用廣義梯度近似(GGA)處理電子間的交換關(guān)聯(lián)能的。描述離子實(shí)與價(jià)電子間的相互作用是采用平面波超軟贗勢法[14]，目的是為減少平面波基矢組展開個(gè)數(shù)。選取 Li、Mg、N、Mn 的價(jià)電子組態(tài)分別為Li:2s1、Mg:2p63s2、N:2s23p3、Mn:3d54s2（Mn 自旋態(tài)設(shè)為向上）。為了得到可靠的計(jì)算結(jié)果，計(jì)算開始時(shí)選取了不同的截?cái)嗄?Ecut)計(jì)算本征 LiMgN 的晶格常數(shù)、自由能，發(fā)現(xiàn) Ecut由 380eV 至 500eV 時(shí)體系各項(xiàng)參數(shù)趨于定值而達(dá)到收斂，因此，在倒易的 K 空間中，計(jì)算選取的 Ecut為 480eV。體系總能和電荷密度在對布里淵區(qū)(Brillouin)的積分計(jì)算采用 Monkhorst-Park[73]方案，對超晶胞體系選取 K 網(wǎng)格點(diǎn)為 4×4×4，其自洽收斂精度設(shè)為 2.0×10 6eV/atom。結(jié)構(gòu)優(yōu)化中采用 BFGS[74]算法優(yōu)化。晶胞結(jié)構(gòu)優(yōu)化后，各項(xiàng)參數(shù)均優(yōu)于收斂標(biāo)準(zhǔn)。3.3 計(jì)算結(jié)果與討論
本文編號：3100850
【文章來源】：重慶師范大學(xué)重慶市
【文章頁數(shù)】：81 頁
【學(xué)位級別】：碩士
【部分圖文】：
(Ga,Mn)As和Li(Zn,Mn)As晶體結(jié)構(gòu)示意圖
星星等[47]利用 GGA+U 計(jì)算了 Mn 摻雜 LiCaP 稀磁半導(dǎo)體，發(fā)現(xiàn) Mn 的摻入和改變Li 的含量可以對 LiCaP 半導(dǎo)體進(jìn)行電性和磁性的分離調(diào)控；徐建[48]計(jì)算了 Mn 摻雜 LiZnN 稀磁半導(dǎo)體，通過海森堡模型發(fā)現(xiàn) Li 空位可以提高體系的居里溫度，可達(dá)到 575K，實(shí)驗(yàn)上對 Mn/Cr 摻雜 LiZnP 進(jìn)行了一系列研究。1.4 I-II-V 族基新型稀磁半導(dǎo)體的晶體結(jié)構(gòu)I-II-V 化合物屬于“四面體結(jié)構(gòu)”的一類，可以看作是在閃鋅礦 III-V 族化合物中，三族原子被“歧化”成 I+II 族原子，I 族原子通常是占據(jù)閃鋅礦晶胞的四面體間隙位[49]，也被稱為 Nowotny-Juza 化合物[50]。如圖 1.4 所示，閃鋅礦晶體結(jié)構(gòu)排布：II 族位于τ1=(0, 0, 0)ɑ（ɑ是晶格常數(shù)），V 族位于τ2=(1/4,1/4,1/4)ɑ。立方晶體結(jié)構(gòu)允許 Li 原子填隙在τ3=(1/2,1/2, 1/2)ɑ[51]。I 族：Li、Na、Cu、Ag；II 族：Mg、Zn、Cd；V 族：N、P、As、Sb、Bi。I-II-V 化合物被預(yù)測為帶隙能量范圍為 1.3-2eV 的直接帶隙半導(dǎo)體[52]。
圖 3.1 超晶胞結(jié)構(gòu)圖 (a)Li1±0.0625(Mg0.9375Mn0.0625)N;(b) Li1±0.125(Mg0.875Mn0.125)N3.2.2 計(jì)算方法本章計(jì)算中采用周期性邊界條件，是用廣義梯度近似(GGA)處理電子間的交換關(guān)聯(lián)能的。描述離子實(shí)與價(jià)電子間的相互作用是采用平面波超軟贗勢法[14]，目的是為減少平面波基矢組展開個(gè)數(shù)。選取 Li、Mg、N、Mn 的價(jià)電子組態(tài)分別為Li:2s1、Mg:2p63s2、N:2s23p3、Mn:3d54s2（Mn 自旋態(tài)設(shè)為向上）。為了得到可靠的計(jì)算結(jié)果，計(jì)算開始時(shí)選取了不同的截?cái)嗄?Ecut)計(jì)算本征 LiMgN 的晶格常數(shù)、自由能，發(fā)現(xiàn) Ecut由 380eV 至 500eV 時(shí)體系各項(xiàng)參數(shù)趨于定值而達(dá)到收斂，因此，在倒易的 K 空間中，計(jì)算選取的 Ecut為 480eV。體系總能和電荷密度在對布里淵區(qū)(Brillouin)的積分計(jì)算采用 Monkhorst-Park[73]方案，對超晶胞體系選取 K 網(wǎng)格點(diǎn)為 4×4×4，其自洽收斂精度設(shè)為 2.0×10 6eV/atom。結(jié)構(gòu)優(yōu)化中采用 BFGS[74]算法優(yōu)化。晶胞結(jié)構(gòu)優(yōu)化后，各項(xiàng)參數(shù)均優(yōu)于收斂標(biāo)準(zhǔn)。3.3 計(jì)算結(jié)果與討論
本文編號：3100850
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