釓摻雜氮化鎵團簇磁性的第一性原理研究.pdf

1、稀磁半導(dǎo)體材料是自旋電子學(xué)器件的重要基礎(chǔ)，近年來Gd摻雜的GaN稀磁半導(dǎo)體引起了人們的廣泛興趣。本文運用基于密度泛函理論的第一性原理計算，對Gd摻雜的GaN團簇電子結(jié)構(gòu)和磁性進行了較系統(tǒng)的研究，對Gd相關(guān)的鐵磁耦合機制和巨磁矩現(xiàn)象等進行了較深入的探索。
　　第一部分，Gd是自然界中極為獨特的磁性物質(zhì)，然而對它的研究至今仍然非常有限，特別是在其鐵磁耦合機制方面。通過第一性原理計算，我們發(fā)現(xiàn)Gd原子間的磁耦合行為對于它們之間的距離非常

2、敏感，當(dāng)兩個Gd原子離得比較近時，體系基態(tài)是反鐵磁耦合的；當(dāng)兩個 Gd原子離得比較遠時，體系基態(tài)是鐵磁耦合的；而反鐵磁態(tài)-鐵磁態(tài)的磁相變發(fā)生在原子間距離約為2.2?處。這一結(jié)論具有很高的實際應(yīng)用和理論研究價值。從雙原子模型電子態(tài)密度隨原子間距離的演變過程中，我們發(fā)現(xiàn)間接交換相互作用（如 RKKY相互作用），隨著原子間距離的增大，而逐漸占據(jù)主導(dǎo)，這是鐵磁耦合形成的基礎(chǔ)。另外，除了f態(tài)電子外，還有其他傳導(dǎo)電子參與了磁耦合作用。這使得鐵磁-反

3、鐵磁能量差（ΔE FM-AFM）與原子間距離（d）之間的函數(shù)關(guān)系變得復(fù)雜，而并非是完全地單調(diào)遞減關(guān)系。
　　第二部分，運用基于密度泛函理論的第一性原理計算，系統(tǒng)地研究了Gd摻雜的GanNn團簇的結(jié)構(gòu)、電子和磁性質(zhì)。通過計算我們發(fā)現(xiàn)單個Gd摻雜的GanNn團簇，在不同的尺寸和結(jié)構(gòu)下，體系的總磁矩始終保持為7μB，其中絕大部分來自于Gd原子f態(tài)電子的貢獻。這表明Gd身處于不同的結(jié)構(gòu)和勢場中，其半滿4f層電子的自旋平行排列始終不變；也就

4、是說，Gd的f態(tài)電子之間的交換相互作用很強。這與Mn、Fe等過渡族金屬中d態(tài)電子的情況截然不同，它們很容易受到周圍勢場或配位場的影響。另外，我們發(fā)現(xiàn)Gd摻雜的GanNn團簇中，除了Gd有磁矩外，N和Ga原子存在不同程度的自旋極化，并且N的極化磁矩要遠大于Ga的極化磁矩。此外，Gd摻雜GanNn團簇幾何結(jié)構(gòu)及其演變的研究將有助于理解GaN: Gd材料的生長機制。微觀納米尺寸上電磁性質(zhì)的研究，將有助于揭示GaN: Gd中巨磁矩和室溫鐵磁性等