對二氧化鉿材料中缺陷所致磁性的第一性原理研究.pdf

1、為解釋Coey等人在實驗中發(fā)現(xiàn)的HfO2的磁性的問題，本文對HfO2體材料和(110)面薄膜材料中的原子缺陷(氧空位缺陷)和電子缺陷(帶正電荷的體系或帶負電荷體系)對材料的電子結(jié)構(gòu)和磁性性質(zhì)的影響進行了計算和討論。
　　 在HfO2的體材料中，必須要氧空位缺陷和電子缺陷同時作用才能導(dǎo)致局域磁矩的產(chǎn)生。氧空位的作用在于使材料中殘留兩個電子，這兩個電子在禁帶中產(chǎn)生缺陷能級，并分別以上自旋和下自旋的方式填充到這個缺陷能級上。由于這時上

2、下自旋態(tài)的電子填充數(shù)相等，此時材料不具有局域磁矩。在帶正電荷的體系情況下，由于滿足Stoner模型中的自旋劈裂條件，本該同時填充一個上下自旋電子的缺陷能級發(fā)生自旋劈裂，而由于帶正電荷的體系使體系缺少一電子，從而較高的那個缺陷能級未被占據(jù)。上下自旋電子的占據(jù)數(shù)不同，在材料中引起局域磁矩。而在帶負電荷體系情況中，在原來的導(dǎo)帶底位置上出現(xiàn)一個新的能級，被捕獲的電子以自旋向上的方式填充這個能級，同樣產(chǎn)生局域磁矩。
　　 在(110)面的

3、薄膜中，單純的帶正電荷的體系或者帶負電荷體系都可單獨地在價帶或?qū)Мa(chǎn)生上下自旋數(shù)目不等的電子填充，從而在材料中產(chǎn)生磁矩。這種單純的帶正電荷的體系或者帶負電荷體系在D. Munoz Ramo的文獻[3]中被稱作“self-trap”，Ramo認為這種self-trap可以自發(fā)地發(fā)生在無原子缺陷的晶體中。此外，帶正電荷的體系加上薄膜表面氧原子空位的共同作用會使得材料的帶隙變得很小，此時產(chǎn)生的材料由于同時具有局域磁矩和半導(dǎo)體性質(zhì)，有望成為自旋