非磁性元素?fù)诫s氧化物基稀磁半導(dǎo)體的第一性原理研究.pdf

1、具有半金屬特性的稀磁半導(dǎo)體是實(shí)現(xiàn)半導(dǎo)體自旋電子器件的關(guān)鍵材料。以前在稀磁半導(dǎo)體領(lǐng)域,人們的研究興趣主要投向了3d或4f磁性陽離子摻雜傳統(tǒng)的半導(dǎo)體和寬禁帶氧化物材料帶來的鐵磁性效應(yīng),而陰離子摻雜導(dǎo)致的效應(yīng)更多是在光催化和光電子領(lǐng)域受到關(guān)注。因此,在氧化物稀磁半導(dǎo)體領(lǐng)域,很有必要去探討以寬禁帶氧化物半導(dǎo)體為基質(zhì),通過摻雜非磁性元素將非磁性半導(dǎo)體轉(zhuǎn)變成鐵磁性半導(dǎo)體的可能性。本文利用第一性原理計(jì)算,分析了非磁性元素?fù)诫s氧化物體系的電子結(jié)構(gòu)和磁性

2、,并從理論上對其磁性交換機(jī)制和起源問題進(jìn)行探討。全文安排如下:
　　 第一章,介紹了自旋電子學(xué)和稀磁半導(dǎo)體相關(guān)概念;敘述了稀磁半導(dǎo)體的發(fā)展歷程和稀磁半導(dǎo)體的基本性質(zhì)。闡述了稀磁半導(dǎo)體中磁性起源的各種交換相互作用機(jī)制。綜述了以SnO2、CeO2、Ga2O3為基的氧化物稀磁半導(dǎo)體的最新研究進(jìn)展。
　　 第二章,介紹了我們采用的基于密度泛函理論的第一性原理電子結(jié)構(gòu)計(jì)算方法以及計(jì)算軟件包(Vienna Ab-initio Sin

3、lulation Package,VASP)。
　　 第三章,研究了非金屬輕元素N和貴金屬Ag分別摻雜的SnO2體系的電子結(jié)構(gòu)和磁性。計(jì)算預(yù)測N摻雜金紅石結(jié)構(gòu)的SnO2體系自旋極化態(tài)比非自旋極化態(tài)在能量上更有利(大約478 meV)。每個(gè)取代N誘導(dǎo)了1.0μB的總磁矩,磁矩主要來自N原子,小部分來自N原子周圍的O原子。對不同磁性氮原子之間的耦合研究表明N雜質(zhì)之間不僅存在反鐵磁耦合也存在鐵磁性耦合。對于Ag摻雜的SnO2體系,計(jì)算

4、表明Ag摻雜導(dǎo)致了體系的自旋極化態(tài)為基態(tài),每個(gè)取代Ag離子產(chǎn)生了1.0μB的總磁矩。體系中以空穴為媒介誘導(dǎo)的鐵磁性耦合可歸因于O和Ag離子之間的p-d跳轉(zhuǎn)相互作用。本征缺陷氧空位(Vo)對Ag摻雜SnO2體系的磁性有著非常重要的影響。Vo提高了單Ag摻雜體系的自旋極化態(tài)的穩(wěn)定性,對雙Ag摻雜的構(gòu)型作用錯(cuò)綜復(fù)雜。如果Ag離子對距離足夠遠(yuǎn),兩磁性Ag離子之間的鐵磁性耦合加強(qiáng)。結(jié)果說明Ag摻雜SnO2體系有望成為將來自旋器件應(yīng)用中最有前途的材

5、料之一。
　　 第四章,研究了非金屬輕元素C和N分別摻雜的CeO2體系的電子結(jié)構(gòu)和磁性。首先估算了C和N摻入CeO2基質(zhì)中所需的形成能,在富Ce的條件下N是比較容易摻入CeO2基質(zhì)中去的,而C相對來說要難。在CeO2基質(zhì)中,取代雜質(zhì)C和N形成磁性離子,并分別產(chǎn)生2.0μB和1.0μB的總磁矩。局域磁矩主要來自于雜質(zhì)原子及其鄰近的O原子,起因于洪特定則耦合。對于N摻入CeO2的體系,采用LSDA(+U)和GGA(+U)四種計(jì)算方案

6、,我們發(fā)現(xiàn)體系都是半金屬性質(zhì)的鐵磁體。鐵磁性起源于以空穴為媒介的長程雙交換作用機(jī)制。要在體系中建立起磁逾滲,需要N的濃度超過4.6％。C摻雜的CeO2體系呈半金屬鐵磁性,建立起這種鐵磁性的機(jī)制有C原子和O原子以及C原子和Ce原子之間的p-p,p-d和p-f雜化機(jī)制。C和N摻雜CeO2體系中的半金屬鐵磁性特征有望在自旋器件領(lǐng)域獲得應(yīng)用。
　　 第五章,對非金屬N和磁性元素Ni摻雜Ga2O3體系的電子結(jié)構(gòu)和磁性進(jìn)行了探索。我們發(fā)現(xiàn)取

7、代原子N在β-Ga2O3晶體中占據(jù)高對稱的O位。不同占位的N原子都提供1.0μB的總磁矩。磁性N離子間為短程鐵磁性耦合。類似于p-d雜化機(jī)制的p-p相互作用機(jī)制可以穩(wěn)定這種短程鐵磁性。結(jié)果中發(fā)現(xiàn)的N-2p帶隙態(tài)可以解釋實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)的紅移現(xiàn)象。計(jì)算預(yù)測Ni摻雜Ga2O3體系是半金屬鐵磁體。當(dāng)Ni占據(jù)八面體或四面體位時(shí),每個(gè)雜質(zhì)Ni產(chǎn)生1.0或3.0μB的磁矩。Ni取代八面體位的結(jié)構(gòu)是體系最穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)。雙交換作用機(jī)制穩(wěn)定了體系的鐵磁性序,其對