自旋電子學(xué)材料的第一性原理研究.pdf

1、量子力學(xué)告訴我們，電子具有電荷和自旋雙重屬性，但過(guò)去的研究主要關(guān)注了電子的電荷屬性，發(fā)展了傳統(tǒng)的半導(dǎo)體學(xué)，人們忽視了電子的自旋屬性。近二十年來(lái)，人們?cè)絹?lái)越關(guān)注電子的自旋屬性，發(fā)展了一門(mén)新興的學(xué)科—半導(dǎo)體自旋電子學(xué)。與傳統(tǒng)的半導(dǎo)體器件相比，自旋電子器件有體積小、能耗低、速度快等優(yōu)點(diǎn)，并且能夠發(fā)展集半導(dǎo)體性和鐵磁性為一體的多功能電子器件，具有很大的潛在應(yīng)用價(jià)值。稀磁半導(dǎo)體和半金屬鐵磁體是制備自旋電子器件的重要材料，是凝聚態(tài)物理和材料物理研究

2、的一個(gè)熱點(diǎn)。 計(jì)算機(jī)模擬與人工實(shí)驗(yàn)相比，有費(fèi)用少和時(shí)間少等諸多優(yōu)點(diǎn)。隨著量子力學(xué)和固體理論等學(xué)科的不斷完善，以及計(jì)算機(jī)性能的飛速發(fā)展，借助材料模擬軟件模擬預(yù)言新材料越來(lái)越成熟。本文主要利用基于密度泛函理論的材料模擬軟件Wien2k和CASTEP，對(duì)金紅石TiO2基稀磁半導(dǎo)體、堿土金屬氮化物和碳化物、以及半金屬鐵磁體的表面和界面，進(jìn)行了磁性和電子結(jié)構(gòu)的計(jì)算。金紅石TiO2基稀磁半導(dǎo)體的研究表明，金紅石TiO2 摻雜V和Cr 都具有

3、鐵磁性，并且其居里溫度可能在室溫或以上；考慮強(qiáng)關(guān)聯(lián)因素時(shí)，摻雜體系從半金屬性轉(zhuǎn)變到了半導(dǎo)體性；氧空位對(duì)金紅石TiO2 摻雜Cr的電子結(jié)構(gòu)和磁性有很大影響。對(duì)于堿土金屬氮化物，我們的計(jì)算發(fā)現(xiàn)食鹽結(jié)構(gòu)的氮化物MX(M=Ca，Sr，Ba;X=N，P，As)中只有CaN、SrN和BaN具有半金屬鐵磁性，而閃鋅礦結(jié)構(gòu)的MX 都具有半金屬鐵磁性；對(duì)于堿土金屬碳化物，我們預(yù)言到食鹽結(jié)構(gòu)的SrC和BaC 是半金屬鐵磁體，或至少能分別以PbS和PbSe為

4、襯底外延生長(zhǎng)SrC和BaC 半金屬鐵磁薄膜；我們也預(yù)言了外延生長(zhǎng)閃鋅礦結(jié)構(gòu)的CaC、SrC和BaC 半金屬薄膜的可能性；另外，居里溫度的計(jì)算表明，食鹽結(jié)構(gòu)的SrC和BaC 以及閃鋅礦結(jié)構(gòu)的CaC、SrC和BaC的居里溫度都遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)了室溫。這使這些半金屬體系在自旋電子器件中更加實(shí)用。 閃鋅礦結(jié)構(gòu)CaC的(110)、(001)和(111)表面的計(jì)算表明，只有(110)面和以C為端面的(111)面維持了半金屬鐵磁性，這為外延生長(zhǎng)CaC