材料新颖磁机制和电子结构的第一性原理研究

论文摘要

自旋电子学的应用需要高效率的自旋极化电子（自旋电流）源，像半金属CrO2要在液氦温度下才可以产生96％的自旋极化，基于自旋霍尔效应的电流在杂质散射，通过自旋光电效应注入自旋流等方法也存在高温耗散的问题。而传统的磁性金属虽然能在室温下产生自旋极化流，但因为和半导体的能带与阻抗都不匹配，自旋流注入到半导体的过程中极容易耗散。所以人们就考虑综合半导体和磁性金属特点的稀磁半导体作为自旋注入源。ZnO掺杂Mn作为一种可能获得室温铁磁性的稀磁半导体，在实验中有着各种各样的结果，而纯粹的第一性原理计算则全都是反铁磁。（Zn,Mn）O的磁性来源和机制到底是什么?作为非铁磁化合物也可能具有磁矩的代表，CaB6铁磁性机制一直困惑着大家，为何各种实验和理论都没能清晰地解释磁矩产生的原因?半导体工艺的主要材料硅中能否实现自旋极化?在极端条件下的稀磁半导体会有哪些性质?这些问题都非常值得进行细致地研究。随着当代计算机技术的发展，基于第一性原理的研究已经成为凝聚态物理的重要方面。本论文即用密度泛函的第一性原理方法研究了凝聚态物理中一些体系新颖的磁性产生机制及电子结构的特征。具体内容包括ZnO体系共掺杂实现铁磁性、sp电子体系产生磁性的机制、ZnSe体系高压相变电子结构变化及C80内掺稀土等元素的电子结构。论文第一章为背景介绍，第二章是理论方法和模型介绍，第三章是共掺杂引起ZnO体系铁磁性的研究，第四章是CaB6体系磁性来源的研究，第五章是高浓度B掺杂的无定形硅磁性研究，第六章是Zn1-xMnxSe（x=0，0．25）高压相变及其电子结构研究，第七章是内嵌富勒烯M3N@C80（M=Sc，Y，and lanthanides）电子态的研究，最后第八章给出总结和展望。每章的具体内容如下。第一章简要介绍了稀磁半导体在自旋电子学中的重要作用，作为可能出现室温铁磁性的Mn掺杂ZnO稀磁半导体的研究进展，不含铁磁离子化合物磁性研究以及稀磁材料的高压相变及电子结构。第二章简要介绍了密度泛函理论以及势与波函数的处理等。第三章介绍了共掺杂引起ZnO体系铁磁性的研究。利用第一性原理计算，我们阐述了（Zn,Mn）O共参其它阳离子增强铁磁性的机制。参入的Li和Cu倾向于靠近Mn原子，并且通过RKKY以及超交换作用增加了体系的铁磁性。Li和Cu导入的空穴态是非局域态。这些分布在整个空间的非局域态是铁磁离子相互作用的媒介。共参其它离子的方法为自旋电子学中稀磁半导体的器件设置开拓了新思路。第四章介绍了CaB6体系磁性来源的研究。通过第一性原理计算，我们发现了硼空位和杂质的综合作用导致了CaB6的弱铁磁性。硼空位最近邻的硼产生了很强的局域态，这些局域态刚好处于费米面之上。杂质导致CaB6晶格畸变，并带进体系电荷，这两者使得局域态刚好穿过费米面。根据斯托纳定则，穿过费米面的局域态劈裂开来，产生了有0．8-1．2μB的磁矩。第五章介绍了高浓度B掺杂的无定形硅磁性研究。我们用第一性原理分子动力学计算方法，首次发现了高浓度硼掺杂的无定形硅有磁矩。计算得到的15种无定形Si63B1（SiB）中，有6个结构有磁矩。其中，0．993μB磁矩的体系有最低的能量。磁矩来自于三配位的硅。这些三配位的硅都有一个悬挂键，而掺入的B带来空穴，当空穴传递到悬挂键上时，根据斯托纳定则，这个悬挂键就劈裂开来，形成磁矩。这些三配位硅上的磁矩都有50mev左右的磁化能，这样大的磁化能使得这些磁矩可以在室温下留存。第六章介绍了Zn1-xMnxSe（x=0,0．25）高压相变及其电子结构研究。我们用第一性原理研究了Zn1-xMnxSe（x=0，0．25）在高压下的相变和电子结构。我们得到了Zn1-xMnxSe从闪锌矿结构转变到氯化钠结构的相变压强，体弹性模量。这些数据和实验结果很吻合。Zn0．75Mn0．25Se沿着相变路径的焓低于非掺杂的ZnSe，这很好地解释了为什么Zn0．75Mn0．25Se有更低的相变压强。Zn 3d和Se4p之间有明显的排斥力，这种排斥力是相变的驱动力。伴随着从闪锌矿到氯化钠的结构相变，Zn1-xMnxSe的电子结构也从半导体转变到金属。金属性来自氯化钠结构中Se离子对s电子的束缚性减弱。第七章介绍了内嵌富勒烯M3N@C80（M=Sc，Y，and lanthanides）电子态的研究。我们用第一性原理系统研究了内嵌三族和镧系氮化物富勒烯M3N@C80。和实验光谱相吻合，大多数的M3N@C80在费米面下有4个峰的电子态。我们确定了M3N分子的平面与C80的C5轴垂直而不是C3轴。金属原子与N、C原子之间的电荷转移也定量地进行了分析。我们也用LSDA+U的方法研究了镧系金属f电子作为价电子的行为。第八章对我们的研究作了总结，并对将来的一些研究作了展望。

论文目录

• 中文摘要
• 英文摘要
• 第一章 绪论
• 1.1 自旋电子学与稀磁半导体
• 1.2 Mn掺杂ZnO稀磁半导体的研究进展
• 1.3 不含铁磁离子化合物磁性研究
• 1.4 稀磁材料的高压相变及电子结构
• 参考文献
• 第二章 理论方法与模型
• 2.1 密度泛函理论
• 2.1.1 LDA近似
• 2.1.2 GGA近似
• 2.1.3 LSDA+U方法
• 2.2 布洛赫定理
• 2.3 势与波函数的处理
• 2.3.1 平面波展开
• 2.3.2 赝势方法
• 2.3.3 赝势方法的一种优化:PAW方法
• 2.3.4 FLAPW方法
• 2.4 电子自洽
• 2.5 计算模型
• 2.5.1 Supercell模型
• 2.5.2 结构优化
• 2.5.3 Hellmann-Feynman力
• 参考文献
• 第三章 共掺杂引起ZnO体系铁磁性的研究
• 3.1 背景介绍
• 3.2 原理与计算细节
• 3.3 结果与分析
• 3.3.1 Li/Mn或Cu/Mn共掺杂的铁磁性
• 3.3.2 Li/Mn共掺杂机制—RKKY模型
• 3.3.3 Cu/Mn共掺杂机制—RKKY和超交换作用
• 3.3.4 空穴和超相互作用在态密度图上的证明
• 3.3.5 n型掺杂反而增强了体系的反铁磁
• 3.3.6 Li/Mn是铁磁性较好的共掺原子
• 3.4 小结
• 参考文献
• 6体系磁性来源的研究'>第四章 CaB₆体系磁性来源的研究
• 4.1 引言
• 4.2 计算方法
• 4.3 结果与分析
• 4.3.1 B空穴导致的带隙局域态
• 4.3.2 结构变化导致的磁矩
• 4.3.3 杂质对磁矩的影响
• 4.4 结论
• 参考文献
• 第五章 高浓度B掺杂的无定形Si磁性研究
• 5.1 引言
• 5.2 计算方法
• 5.3 结果与分析
• 5.3.1 非晶结构的径向分布和角分布分析
• 5.3.2 磁性特征
• 5.3.3 磁矩起因
• 5.4 小结
• 参考文献
• 1-xMn_xSe（x=0,0.25）高压相变及其电子结构研究'>第六章 Zn_1-xMn_xSe（x=0,0.25）高压相变及其电子结构研究
• 6.1 引言
• 6.2 计算方法
• 6.3 结果与分析
• 0.75Mn_0.25Se的基态'>6.3.1 Zn_0.75Mn_0.25Se的基态
• 6.3.2 相图及相变参数
• 6.3.3 相变路径,内能及焓
• 6.3.4 结构相变的驱动力
• 6.3.5 高压下的电荷密度分布
• 6.4 小结
• 参考文献
• 3N@C₈₀（M=Sc,Y,and lanthanides）电子态的研究'>第七章 内嵌富勒烯M₃N@C₈₀（M=Sc,Y,and lanthanides）电子态的研究
• 7.1 引言
• 7.2 计算方法和原子结构
• 7.3 结果与分析
• 3N@C₈₀的HOMO-LUMO带隙'>7.3.1 M₃N@C₈₀的HOMO-LUMO带隙
• 7.3.2 电子的态密度
• 7.3.3 电荷转移
• 7.3.4 Tm的4f态
• 7.4 小结
• 参考文献
• 第八章 总结与展望
• 致谢
• 博士期间完成论文及参加会议报告