ZnO基稀磁半導(dǎo)體磁特性研究的第一性原理計算.pdf

1、本文利用基于密度泛函理論的第一性原理計算方法，通過構(gòu)建多種模型，研究了理想ZnO的電子結(jié)構(gòu)，并考察了固有缺陷對ZnO電子結(jié)構(gòu)的影響。對有空位缺陷和無空位缺陷的V、Mn摻雜的ZnO稀磁半導(dǎo)體材料電子結(jié)構(gòu)和磁學(xué)特性分別進行了分析，探討了摻雜系統(tǒng)中磁相互作用的機理。
　　 理想ZnO的態(tài)密度和能帶分析結(jié)果證明，該體系的電子結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)為直接帶隙特征，Zn中O2p和2n4s之間存在著成鍵-反鍵相互作用，2n4s能級和O2p能級分別被向上和向

2、下排斥而形成禁帶。具有O空位和Zn空位缺陷的ZnO體系的計算表明：兩種缺陷的引入都將導(dǎo)致ZnO禁帶寬度的增加；O空位在ZnO導(dǎo)帶附近形成施主能級，而Zn空位在ZnO的價帶附近形成受主能級。
　　 V摻雜ZnO的計算結(jié)果表明，V摻雜的ZnO鐵磁性來源于V3d態(tài)和O2p態(tài)的pd雜化，Zn空位的引入使V原子3d軌道電子布居數(shù)減少，pd軌道雜化中p分量增加和d軌道分量減少，系統(tǒng)鐵磁性減小。而引入的O空位缺陷和V雜質(zhì)態(tài)具有相近的能級，O空

3、位中的電子跳躍到V的未占滿3d軌道，并占據(jù)高自旋態(tài)，導(dǎo)致系統(tǒng)的鐵磁耦合增強。另外，自旋密度圖分析表明，Zn空們有利于電子沿少數(shù)自旋方向排列，O空位有利于電子沿多數(shù)自旋方向排列，所以Zn空位使V摻雜的ZnO鐵磁性減弱，O空位使V摻雜的ZnO鐵磁性增強。
　　 Mn摻雜ZnO的電子結(jié)構(gòu)計算結(jié)果顯示，隨Mn原子在ZnO晶格中的替代位置變化，體系可表現(xiàn)出鐵磁、反鐵磁或順磁特性；當(dāng)體系表現(xiàn)為反鐵磁性時，O空位的引入使體的反鐵磁性穩(wěn)定性增強