ZnO和ZnS基半金属铁磁体的第一性原理研究

论文摘要

本文利用基于密度泛函理论(DFT)的全势线性缀加平面波(FPLAPW)方法对本征非磁性元素碳掺杂的闪锌矿结构的氧化锌和钛掺杂的硫化锌的电子结构和磁性质进行了研究。我们发现碳掺杂闪锌矿结构的氧化锌具有半金属铁磁性,当碳在其中的掺杂比例为6.25%时,体系的总磁矩是2.00μB,其磁矩主要来源于掺杂的碳原子上,与碳原子最近邻的锌原子和次近邻的氧原子也有一定的贡献。此外,我们还发现碳掺杂的闪锌矿结构的氧化锌是一种p型铁磁半导体材料。通过对碳掺杂闪锌矿结构的氧化锌的铁磁稳定性的研究,我们发现,当碳原子之间的距离较近时碳原子之间易于形成顺磁团簇,不利于铁磁性的形成,而当碳原子之间的掺杂距离适宜时,可以得到半金属铁磁体,因此在实验上制备该材料时应采取一些措施避免碳原子的团簇现象,最后对其铁磁性的形成机制进行了分析。其次,我们也对钛掺杂的硫化锌的电子结构和磁性质进行了研究,通过理论计算我们发现,对于钛掺杂的硫化锌体系具有明显的铁磁性。当钛在硫化锌中的掺杂比例为6.25%时,体系的总磁矩是2.00μB,其磁矩主要来自于掺入的钛原子的磁矩。通过对钛掺杂硫化锌的铁磁稳定性的研究我们发现,体系倾向于形成稳定的铁磁性基态,其铁磁相互作用可以用自由离子调制的双交换作用来解释。由于锌、氧、硫、碳以及钛均是无磁性的元素,而且它们之间所形成的二元化合物也都不具有磁性,所以对于碳掺杂的闪锌矿结构的氧化锌以及钛掺杂的硫化锌的磁性均是材料的本征性,不存在磁性杂质相的问题,因此它们将在自旋电子学器件方面具有潜在的应用前景。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 1 绪论
• 1.1 物质磁性的起源及分类
• 1.2 稀磁半导体材料的发展状况
• 1.3 半金属铁磁体的研究进展
• 1.4 密度泛函理论
• 1.5 本文的工作
• 2 碳掺杂氧化锌的半金属铁磁性研究
• 2.1 氧化锌基稀磁半导体材料的研究进展
• 2.2 碳掺杂氧化锌的半金属特性研究
• 2.3 本章小结
• 3 钛掺杂硫化锌的电子结构和磁性研究
• 3.1 硫化锌基稀磁半导体的研究进展
• 3.2 钛掺杂硫化锌的电子结构和磁性研究
• 3.3 本章小结
• 4 全文总结与展望
• 致谢
• 参考文献