發(fā)布時間：2020-07-18 16:33

【摘要】：稀磁半導(dǎo)體材料因其兼具磁性和半導(dǎo)體材料的性質(zhì)而備受關(guān)注。半金屬(HM)材料的100%自旋極化率導(dǎo)致其費米能級處僅存在單一方向的自旋電子而廣泛應(yīng)用于自旋電子學(xué)器件。氧化鋅(ZnO)作為Ⅱ-Ⅳ族寬帶隙半導(dǎo)體材料,其優(yōu)異的介電和光學(xué)性能,被認為是一種很有發(fā)展前途的室溫制備磁性材料。而且大量研究結(jié)果已經(jīng)表明過渡金屬(TM)原子摻雜的ZnO體系可以表現(xiàn)出優(yōu)良的HM特性。近年來,也有關(guān)于TM原子摻雜寬帶系半導(dǎo)體團簇的研究但還沒有系統(tǒng)全面研究Cr摻雜(ZnO)12團簇。本文通過使用以密度泛函理論為基礎(chǔ)的第一性原理計算方法,研究了 TM原子摻雜的ZnO體系的結(jié)構(gòu)、電子、磁特性和光學(xué)特性以及Cr原子摻雜(ZnO)12團簇的結(jié)構(gòu)、電子和磁特性。得到結(jié)論:首先,對Zn1-xNixO(x=0.00,0.25,0.50,0.75,1)體系的結(jié)構(gòu)、電子、磁性和光學(xué)特性進行自旋極化第一性原理計算。除了四方結(jié)構(gòu)的Zn0.5Ni0.50體系,其他Zn1-xNixO體系都是立方結(jié)構(gòu)。摻雜后的Zn0.25Ni0.75O、Zn0.5Ni0.50、Zn0.75Ni0.250和NiO體系都是完全HM材料因此可以應(yīng)用于自旋電子器件。Zn1-xNixO體系的磁矩主要由Ni原子磁矩和少于與之平行的O和Zn原子磁矩貢獻。其次,對兩種相同的TM原子M(M=V、Cr、Mn、Fe、Co和Ni)摻雜ZnO體系的結(jié)構(gòu)、電子和磁特性進行自旋極化第一性原理計算。同時根據(jù)兩個相同TM原子之間不同距離考慮6種摻雜構(gòu)型(0,i=1-6),最后將結(jié)果結(jié)合TM的價電子構(gòu)型,利用超交換和雙交換機制詳細分析兩個相同的TM原子間的鐵磁與反鐵磁耦合。在雙交換機制下兩個相同M離子間的FM耦合導(dǎo)致V(0,i=1-6),Cr(0,i=1-6),Fe(0,2)和Ni(0,i=4-6)體系是總磁矩分別為6、8、8和4μB的HM鐵磁體。在超交換機制下兩個相同M離子之間的AFM耦合導(dǎo)致Mn(0,i=1-6)和Co(0,i=1-6)體系為非磁性半導(dǎo)體以及Fe(0,i)和Ni(0,i=1-3)體系為非磁性金屬。因此,兩個Fe或Ni原子摻雜的ZnO體系表現(xiàn)出超交換和雙交換機制間的競爭。最后,采用第一性原理研究了 Cr原子摻雜(ZnO)12團簇的結(jié)構(gòu)、電子和磁特性。相比純(ZnO)12團簇的最高占據(jù)分子軌道和最低未占據(jù)分子軌道(HOMO-LUMO)間的能隙,摻雜后團簇的HOMO-LUMO能隙均變小。a2構(gòu)型的總磁矩為6μB而其構(gòu)型總磁矩均接近4μB,這可能與Cr原子周圍的局部環(huán)境有關(guān)。對于所有雙摻雜構(gòu)型(替換雙摻、外雙摻和內(nèi)雙摻),FM態(tài)的總磁矩為8μB而AFM態(tài)的總磁矩為0,AFM態(tài)的HOMO-LUMO能隙略大于FM態(tài)的能隙。雙摻雜構(gòu)型中Cr原子間的磁耦合主要AFM和FM作用的競爭。最重要的是,在這些雙摻雜的情況下,外摻雜構(gòu)型的FM耦合態(tài)最穩(wěn)定,這可能會在未來的應(yīng)用中應(yīng)用于自旋相關(guān)納米器件。
【學(xué)位授予單位】：陜西師范大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號】：O469
【圖文】：

ＺｎＯ作為ＩＩ－ＶＩ族半導(dǎo)體，由于其直接寬帶隙、優(yōu)異的介電和光學(xué)性能，被認逡逑為是很有發(fā)展前途的室溫制備磁性材料ｐ（Ｗ４，邋２Ｗ４］。大量研宄致力于探索純ＺｎＯ和逡逑ＴＭ摻雜ＺｎＯ的結(jié)構(gòu)和物理性質(zhì)。眾所周知，ＺｎＯ有三種晶體結(jié)構(gòu)如圖１－１，分別逡逑是閃鋅礦（ＺＢ）結(jié)構(gòu)（ａ），纖鋅礦（ＷＺ）結(jié)構(gòu)（ｂ）和巖鹽礦（ＲＳ）結(jié)構(gòu)（ｃ）逡逑［３５＿３７］。常溫下，ＷＺ結(jié)構(gòu)的ＺｎＯ的熱力學(xué)穩(wěn)定性最好，雖然ＺＢ結(jié)構(gòu)的ＺｎＯ穩(wěn)定逡逑性次之但是可以通過外延生長在ＺＢ襯底上達到穩(wěn)定。而且ＺＢ結(jié)構(gòu)具有較低的離逡逑子性，從而導(dǎo)致較低的載流子散射和較高的摻雜效率［３８］。ＺＢ結(jié)構(gòu)的ＺｎＯ的平衡逡逑體積、體模量、相變點、共價度、光學(xué)性質(zhì)、介電常數(shù)和波恩有效電荷都接近于逡逑ＷＺ結(jié)構(gòu)的ＺｎＯ所對應(yīng)的值［３９］。此外，ＺＢ結(jié)構(gòu)的ＺｎＯ的等溫體模量、熱膨脹系逡逑數(shù)、格呂奈森參數(shù)和熱力學(xué)參數(shù)也符合ＷＺ結(jié)構(gòu)的ＺｎＯ所對應(yīng)的值［３９］。因此，可逡逑以得出這樣的結(jié)論：在匹配的緊密立方晶格襯底上生長的情況下，ＺＢ結(jié)構(gòu)的ＺｎＯ逡逑可以替代ＷＺ結(jié)構(gòu)的ＺｎＯ，而且這也早已在實驗和理論上得到證實［４（Ｍ２］。逡逑１逡逑

２．３計算結(jié)果與討論逡逑２．３．１優(yōu)化結(jié)構(gòu)逡逑圖２－２描繪了邋Ｚｎｉ．ｘＮｉｘＯ邋（ｘ＝０．２５，０．５０，０．７５，１）體系的優(yōu)化結(jié)構(gòu)。紅色、逡逑灰色和綠色球分別代表０、Ｚｎ和Ｎｉ原子。優(yōu)化后的晶格常數(shù)ａ，ｂ，邋ｃ邋（Ａ）和體逡逑積Ｖ邋（邋Ａ３）列于表２－１。由于Ｎｉ＋２的離子半徑（０．５５Ａ邋）小于Ｚｎ＋２的離子半徑（０．６０Ａ）逡逑［７５］，因此ＺｉｖｘＭｘＯ體系的晶格常數(shù)隨著Ｎｉ摻雜的濃度ｘ增加而減小從而引起體逡逑系Ｖ減小。此外，優(yōu)化的晶體結(jié)構(gòu)和相應(yīng)的空間群同樣也依賴于Ｎｉ摻雜的濃度Ｘ。逡逑只有完全替換的（ｄ）ＮｉＯ體系和純ＺＢ結(jié)構(gòu)的ＺｎＯ保持相同的立方結(jié)構(gòu)（Ｎｏ．邋２１６）。逡逑雖然（ａ）邋Ｚｎａ７５Ｎｉａ２５０和（ｃ）邋ＺｎＱ２５Ｎｉａ７５０體系也保持立方結(jié)構(gòu)而相應(yīng)的空間群均逡逑變?yōu)椋校蓿常礤澹ǎ危铮澹玻保担Ｓ捎冢冢钤拥钠矫婧停危樵拥钠矫嫜兀爿S交替排列導(dǎo)致逡逑（ｂ）邋ＺｎＤ．５Ｎｉａ５０體系的ａ＝ｂ＝４．５４８７Ａ略大于ｃ＝４．５４０0Ａ從而晶體結(jié)構(gòu)變?yōu)樗姆叫五义舷鄳?yīng)的空間群變成Ｐｉｍ２邋（Ｎｏ．邋１１５）。逡逑進一步探討Ｚｍ．ｘＮｉｘＯ邋（ｘ＝０．２５，邋０．５０，０．７５，邋１）體系結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，通過以逡逑下公式計算形成能Ｅ／７６］。逡逑Ｅｆ邋＝Ｅ（ｄｏｐｅｄ－ＺｎＯ）－Ｅ（ＺｎＯ）＋ｎ（／ｉＺｎ邋－／／Ｎｉ）邐（１）逡逑８逡逑

ｌｅｖｅｌ邋ＥＦ邋ｉｓ邋ｓｅｔ邋ａｔ邋ｚｅｒｏ邋ｅｎｅｒｇｙ邋ａｎｄ邋ｉｎｄｉｃａｔｅｄ邋ｂｙ邋ｔｈｅ邋ｈｏｒｉｚｏｎｔａｌ邋ｒｅｄ邋ｄａｓｈｅｄ邋ｌｉｎｅｓ．逡逑為了詳細研究Ｚｎｉ．ｘＮｉｘＯ邋（ｘ＝０．２５，邋０．５０，０．７５，邋１）體系的電子結(jié)構(gòu)，我們逡逑在圖２－４中畫出了體系的自旋極化總態(tài)密度（ＴＤＯＳ）。藍線和紅線分別代表自旋逡逑向上和自旋向下軌道。費米能級ＥＦ在能量為零的位置處并用垂直的黑色虛線表示。逡逑首先，純ＺｎＯ體系兩個軌道的ＴＤＯＳ完全對稱，顯示出純ＺｎＯ具有１．４３ｅＶ帶隙逡逑的非磁性半導(dǎo)體。而當(dāng)Ｎｉ摻雜濃度ｘ＝０．２５，０．５０，邋０．７５和１時自旋向上和自旋向逡逑１１逡逑

【參考文獻】

相關(guān)期刊論文 前1條

1 李強,李殿中,錢百年;元胞自動機方法模擬枝晶生長[J];物理學(xué)報;2004年10期

本文編號：2761146