納米晶體的電子結(jié)構(gòu)與磁性的第一性原理研究.pdf

1、自旋電子學(xué)是一個新的領(lǐng)域,使得人們可以將半導(dǎo)體的電子,光學(xué)和磁學(xué)性質(zhì)結(jié)合起來利用,而這些結(jié)合在原來的物理學(xué)中是不可能的,利用這些半導(dǎo)體的自旋特性(電子和空穴)可以實(shí)現(xiàn)一些新的功能,例如自旋基的信息存儲,數(shù)據(jù)處理,自旋極化激光等等。有人從理論計(jì)算預(yù)言了Mn摻雜的.ZnO具有高的居里溫度并且認(rèn)為室溫下的Mn摻雜的ZnO或許具有鐵磁性。要充分利用稀磁半導(dǎo)體材料由于自旋所帶來的優(yōu)勢,低維相當(dāng)必要,這可以使稀磁半導(dǎo)體材料廣泛應(yīng)用到當(dāng)今電子器件中。

2、單臂ZnO納米管能夠作為一個好的模型使人們從理論上研究納米結(jié)構(gòu)的ZnO。
　　 到目前為止,納米結(jié)構(gòu)鐵磁性的起源問題仍有爭議并且不是非常清楚。是否是因?yàn)樵谙〈虐雽?dǎo)體中形成的磁性納米團(tuán)簇導(dǎo)致的磁性仍有待討論。理解磁性團(tuán)簇的形成和性質(zhì)相當(dāng)重要,這可以為過渡金屬摻雜的稀磁半導(dǎo)體材料的磁學(xué)性質(zhì)提供一個清晰的圖案。另一方面,納米團(tuán)簇自身的磁學(xué)性質(zhì)非常有趣。例如,塊體的過渡金屬氧化物NiO和CoO是反鐵磁的,然而人們發(fā)現(xiàn)納米晶體狀的這些材料

3、部分具有強(qiáng)的鐵磁性,這使得過渡金屬氧化物納米晶體有潛在的應(yīng)用。
　　 本論文利用基于密度泛函理論的第一性原理贗勢方法,在GGA近似下,研究了Mn原子吸附在ZnO單層和納米管、Mn摻雜ZnO納米管以及NiO納米團(tuán)簇的電子結(jié)構(gòu)和磁性,主要結(jié)論如下:
　　 (1)對吸附單個Mn原子在ZnO單層和在單臂的(9,0)ZnO納米管上的穩(wěn)定的幾何構(gòu)型,電子結(jié)構(gòu)和磁學(xué)性質(zhì)進(jìn)行了計(jì)算,結(jié)果表明:在ZnO單層上,Mn原子更傾向于吸附在Zn和

4、O構(gòu)成的六角形中心的上方(H位),此吸附位具有相對大的結(jié)合能,值為1.24eV；當(dāng)Mn原子吸附在ZnO納米管的內(nèi)表面時,也傾向于吸附在H位,其結(jié)合能為1.47eV；Mn原子吸附在ZnO單層和ZnO納米管內(nèi)表面的總磁矩都是5.0μB,這與單個Mn原子的磁矩相同；當(dāng)Mn原子吸附在納米管的外表面時,Mn原子傾向于吸附在O的頂位,此位置能量最低,磁矩是3.19μB,這個小的磁矩主要是由于Mn原子的3d軌道與O原子的2p軌道的雜化作用。論文中還討

5、論了吸附行為與納米管曲率的關(guān)系。
　　 (2)對純椅子型ZnO納米管和純之字型納米管,以及Mn摻雜的椅子型與之字型ZnO納米管的電子結(jié)構(gòu)與磁學(xué)性質(zhì)進(jìn)行了計(jì)算,結(jié)果顯示:所有純ZnO納米管是非磁性的并且在γ點(diǎn)有相近的帶隙1.66eV,無論是之字形還是椅子形納米管都是直接帶隙半導(dǎo)體并且?guī)兜闹蹬c管狀結(jié)構(gòu)無關(guān)；對于Mn摻雜的ZnO納米管,我們發(fā)現(xiàn)帶隙由三個因素影響,分別是摻雜濃度,直徑和管子的手性,然而這些管子ZnO鍵與Mn-O鍵的鍵

6、長僅僅由納米管的直徑?jīng)Q定。比較Mn摻雜的之字形納米管與椅子形納米管,我們發(fā)現(xiàn)磁矩大小與納米管手性無關(guān),主要受Mn的摻雜濃度和納米管直徑的影響,Mn摻雜的ZnO納米管的磁矩較大,經(jīng)分析發(fā)現(xiàn)這主要是O的2p與Mn的3d的雜化作用的影響。
　　 (3)通過對NiO團(tuán)簇的穩(wěn)定幾何結(jié)構(gòu)的磁學(xué)性質(zhì)的計(jì)算,我們發(fā)現(xiàn)從能量的觀點(diǎn)來說小團(tuán)簇因?yàn)镹i原子的自旋容易被補(bǔ)償所以更喜歡反鐵磁狀態(tài),尺寸中等的團(tuán)簇由于具有高的表體比和不能補(bǔ)償?shù)谋砻孀孕@示