V掺杂ZnO的第一性原理研究

论文摘要

稀磁半导体能够同时利用电子的电荷和自旋来处理和存储信息,在磁学、光学、电学等领域具有广泛的应用前景。由于以ZnO为母体材料的稀磁半导体有可能实现较高的掺杂浓度和高于室温的铁磁性,所以人们对ZnO基稀磁半导体开展了广泛的研究。本文采用基于密度泛函理论的第一性原理方法,研究了ZnO和过渡金属元素V掺杂ZnO体系的几何结构、电子结构、磁学性质和光学性质。分别计算了V占据Zn位、O位和间隙位的形成能、几何结构和电子结构,结果表明,V替代Zn位的形成能最小,并且富锌条件更利于这种掺杂的实现。未掺杂的ZnO是典型的直接带隙半导体,掺杂V原子后,ZnO的能带结构在费米能级附近发生了劈裂,具有较高的自旋极化率。通过对不同V掺杂浓度(6.25%、8.3%、12.5%)的ZnO体系的计算,我们发现,V原子的掺杂浓度对体系的磁性影响不大,磁矩主要由V原子贡献。体系中的V原子趋向于形成V的团簇,基态磁耦合是铁磁态,是由RKKY磁相互作用机制导致的。对含有本征缺陷的V掺杂ZnO体系的研究表明,O空位能使体系的磁性增强,Zn空位会使体系的磁性减弱。本文计算得到的ZnO的光学性质与实验中测得的数据基本吻合。掺杂V原子后,ZnO的电子结构发生了改变,体系的光学性质也随之发生了变化。价带中的电子发生跃迁时,首先会跃迁到能量相对较低的杂质能级,然后再跃迁到导带,导致吸收光子的波长变长,吸收边红移,光学带隙变小。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 稀磁半导体的理论模型
• 1.2.1 RKKY 交换作用
• 1.2.2 Zener 双交换作用
• 1.2.3 束缚磁极化子
• 1.3 ZnO 的基本性质
• 1.3.1 ZnO 的晶体结构
• 1.3.2 ZnO 的电学性质
• 1.3.3 ZnO 的光学性质
• 1.4 ZnO 基稀磁半导体的研究现状
• 1.4.1 V 掺杂 ZnO 的实验结果
• 1.4.2 V 掺杂 ZnO 的理论计算结果
• 1.5 本论文的主要工作
• 第二章 第一性原理计算方法介绍
• 2.1 绝热近似
• 2.2 密度泛函理论
• 2.2.1 Hohenberg-Kohn 定理
• 2.2.2 Kohn-Sham 方程
• 2.2.3 局域密度近似和广义梯度近似
• 2.2.3.1 局域密度近似
• 2.2.3.2 广义梯度近似
• 2.2.4 Kohn-Sham方程的自洽求解过程
• 2.3 平面波方法
• 2.4 赝势方法
• 2.5 Materials Studio软件介绍
• 第三章 V 掺杂 ZnO 的几何结构和电子结构的理论计算
• 3.1 理论模型与计算方法
• 3.1.1 理论模型
• 3.1.2 计算方法
• 3.2 结果分析与讨论
• 3.2.1 晶体结构分析
• 3.2.1.1 各原子的晶格属性及化学势
• 3.2.1.2 V 掺杂 ZnO的晶格属性及形成能
• 3.2.2 电子结构分析
• 3.2.3 Muliken集居数分析
• 3.3 本章小结
• 第四章 V 掺杂 ZnO 的磁学性质的理论计算
• 4.1 模型构造
• 4.2 结果讨论
• 4.2.1 掺杂浓度对体系磁性的影响
• 4.2.2 磁性耦合作用
• 4.2.3 居里温度
• 4.2.4 本征缺陷对体系磁性的影响
• 4.3 本章小结
• 第五章 V 掺杂 ZnO 的光学性质的理论计算
• 5.1 计算方法
• 5.2 结果分析与讨论
• 5.2.1 介电函数
• 5.2.2 光学常数
• 5.2.2.1 折射率和消光系数
• 5.2.2.2 反射率
• 5.2.2.3 能量损失函数
• 5.2.3 吸收系数
• 5.2.4 光学带隙
• 5.3 本章小结
• 第六章 总结
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间发表的论文
• 致谢