缺陷與應變調制ZnO和In2O3半導體d0鐵磁性的第一原理計算研究.pdf

1、寬禁帶的氧化物半導體是一類重要的半導體自旋電子器件材料。長期以來，科研工作者的研究興趣主要集中在過渡金屬或磁性陽離子摻雜的傳統半導體和寬禁帶氧化物半導體材料的光催化與光電子特性方面。近十年，人們發(fā)現一些非磁性半導體材料，特別是非磁性氧化物半導體材料，即使在未摻入磁性雜質的前提下，也具有室溫鐵磁性，并且還有可能具有很高的居里溫度(Tc)。2005年，英國皇家科學院院士Coey把這類鐵磁性命名為“d0-鐵磁性”。此類材料的電子結構和磁學性質

2、引起了人們的廣泛關注，但是非磁性氧化物半導體中的d0-鐵磁性起源一直以來都存在爭議，因此，有必要對缺陷與摻雜誘導的非磁性氧化物半導體向鐵磁性半導體的轉變其機制進行比較深入的研究。
　　 本論文采用第一原理計算方法，以透明導電氧化物半導體ZnO和In2O3為研究對象，通過引入缺陷和C原子摻雜，考察了本征缺陷與非磁性摻雜對氧化物半導體電子結構和d0鐵磁性的影響，并從理論上探討了其磁性交換機制和d0鐵磁性的起源，分析了懸掛鍵在In2O

3、3量子點中的作用，進而探索了應力與應變條件下In2O3:C體系的自旋開關特性。主要的研究工作如下:
　　 (1)通過計算分別研究了僅含本征缺陷的ZnO和In2O3晶體的電子結構與磁屬性。電子結構的結果顯示:本征P型缺陷誘導的空穴導致在氧離子位置呈現出各向異性的空間態(tài)密度分布，而本征N型缺陷誘導的電子則導致在氧離子位置呈現出各向同性的空間態(tài)密度分布，且具有類S軌道的特點。在未摻雜磁性離子的情況下，P型缺陷誘導的空穴載流子能夠自旋極

4、化，并誘導磁矩，而電子載流子沒有自旋極化。說明本征P型缺陷對純凈ZnO和In2O3 d0鐵磁性的調節(jié)起著關鍵作用，而其中陽離子空位與氧離子間隙又是未摻雜ZnO和In2O3 d0鐵磁性的主要來源。
　　 (2)基于密度泛函理論第一性原理計算方法，我們研究了通過施-受主復合補償的方法來提高含復合缺陷ZnO的形成能力與結構穩(wěn)定性，從而達到穩(wěn)定空穴誘導ZnO的d0鐵磁性。通常情況下單缺陷都具有較高的缺陷形成能，特別是含單缺陷的P型透明導

5、電氧化物半導體的形成能相對較高。研究發(fā)現復合缺陷GaZn+No在ZnO體系中的形成能與結合能較低，且不會產生額外磁矩，也不會改變與單缺陷VZn或No復合后體系的總磁矩。GaZn+No復合缺陷與單缺陷(VZn或No)復合后形成的三元缺陷的形成能與自旋極化能會不同程度的降低表明:施-受主復合缺陷GaZn+No在一定程度上是可以穩(wěn)定原體系的磁矩，對穩(wěn)定空穴誘導ZnO的d0鐵磁性具有重要意義。
　　 (3)基于自旋極化密度泛函理論，通過

6、第一性原理自旋態(tài)密度計算，發(fā)現未摻雜In2O3量子點的磁屬性主要來源于量子點表面的懸掛鍵或量子點內部陽離子空位。In2O3量子點的態(tài)密度分析表明:內部不含缺陷In2O3量子點表面陰離子懸掛鍵是誘導磁矩的主要原因，并且磁矩主要局域在量子點表面的陰離子上，而表面陽離子懸掛鍵不會誘導磁矩。另外，當In2O3量子點表面所有的懸掛鍵都被贗氫原子鈍化以后，量子點內部陽離子空位對磁屬性產生重要影響，陽離子空位產生的空穴誘導磁矩，這些磁矩主要局域在陽離

7、子空位周圍的陰離子上，而陰離子空位不會誘導磁矩。
　　 (4)通過第一性原理計算，發(fā)現應變可以調節(jié)In2O3:C體系的磁屬性和電子結構。雙C原子替代體材料In2O3中的O原子可以誘導d0鐵磁性，其自旋磁矩在壓應力下或者不受拉應力作用時大小保持不變(2μB)，然而，當發(fā)生2％的體膨脹時，體系總磁矩急劇增加，升高到4μB，并且不再隨晶格的繼續(xù)膨脹而發(fā)生改變。電子態(tài)密度分析顯示，在不受外力或者在壓應力作用下，In2O3:C體系的磁矩主