氧化物铁磁性半导体的电子结构和磁性研究

论文摘要

自旋电子学是当今凝聚态物理研究中的热点领域,其欲将电子的电荷和自旋两个自由度作为信息的载体,通过材料的带隙和自旋子带的劈裂对电子电荷和自旋的物理行为进行调控,进而实现信息的传输、处理和存储。这是未来信息技术的发展方向之一,因此该领域的关键材料——铁磁性半导体的研究,引起各界广泛关注。传统的制备铁磁性半导体的方法是:掺杂过渡金属离子进入半导体的晶格,通过过渡金属离子间的铁磁耦合作用使半导体材料具有铁磁性,并保留重要的带隙。寻求具有高居里温度的磁性半导体是自旋电子学的研究重点之一。掺杂最常见的半导体材料Si与Ge很难实现高居里点的铁磁性,这是由于材料中离子可掺杂浓度的阈值很低,过渡金属离子间距离太大而不足以产生长称铁磁耦合作用;此外,近邻的掺杂离子间也有可能形成反铁磁耦合作用。因此,实验上Si与Ge基磁性半导体的研究一直没有重大进展。氧化物半导体作为母体材料则有很大优势:首先,过渡金属离子半径与氧化物半导体阳离子的半径相近,因此有可能实现较高的掺杂浓度;其次,通常氧化物半导体中存在大量的缺陷,这些缺陷在带隙附近形成缺陷态,掺杂离子的3d能带可以通过这些缺陷态而产生强铁磁耦合作用。正因为如上原因,氧化物磁性半导体成为新的研究热点。尽管人们已证明CoZnO等氧化物磁性半导体的本征铁磁性,其磁性起源的理论解释仍然众说纷纭。本论文的主要工作是:利用氧化物磁性半导体的电子结构分析其铁磁性起源,其中重点探讨缺陷态对磁性的影响。目前,磁性半导体的理论研究主要有两种方式:（1）模型化研究;（2）基于密度泛函理论的第一性原理计算。本论文利用第一性原理计算软件计算氧化物磁性半导体的电子结构,从能带的角度研究氧化物磁性半导体中过渡金属的耦合作用,分析铁磁性起源。由于密度泛函理论和计算机技术的迅速发展,多种第一性原理计算软件相继诞生,如Vasp、Castep、Quantum-Espresso等。本论文的所有计算均由Quantum-Espresso软件完成。交换关联势选用局域密度近似（LDA）或广义梯度近似（GGA）。大多数基于密度泛函理论的第一性原理计算软件有两点不足之处:半导体和绝缘体的理论带隙严重偏小和3d电子态能量偏高,而我们研究的体系正是以过渡金属为阳离子的半导体材料。为此,我们在部分计算中使用LDA+U方法进行修正。特别需要指出的是,Quantum-Espresso能够基于“constrained-density-functional”方法和线性相应理论自洽的计算参数Hubbard U;而在其它计算软件中,U值一般作为一个可调参数,没有明确的物理含义。论文的主要结果如下:·LDA方法计算Co掺杂ZnO磁性半导体的电子结构表明,费米能级穿过一个自旋向下的Co:3d子带,因此其能带具有半金属特征,这与实验测量结果不符;而LDA+U方法的计算结果表明该子带位于价带顶部,自旋向上与向下能带均存在带隙,该结果与价带XPS测量结果一致。以上计算结果对比表明,LDA方法不适合于计算CoZnO磁性半导体,而应代以LDA+U方法。近邻的Co离子之间存在较弱的反铁磁耦合作用,这与完美单晶样品无铁磁性的实验事实一致。·氧空位（Vo）对CoZnO磁性有很大影响。如同ZnO本征材料一样,CoZnO中的Vo能够束缚电子,并在带隙附近形成自旋劈裂的缺陷态。Vo的价态对磁性离子间交换作用的影响很大,只有缺陷态完全极化的Vo1+能够传导铁磁交换作用。但是,不论在ZnO还是CoZnO磁性半导体中,Vo1+都不稳定,它会解离成Vo0和Vo2+,而计算结果表明这两者都不能传导铁磁交换作用。非平衡生长过程中会生成大量缺陷,例如在CoZnO中,除了施主缺陷Vo以外还有大量的受主缺陷VZn。计算结果表明,VZn能够复合Vo0的部分电子并使Vo极化,从而传导稳定的铁磁交换作用。该结果为CoZnO铁磁性半导体的铁磁性起源提供了一个合理的理论解释。·Fe掺杂In2O3磁性半导体的电子结构表明,In2O3中的Vo形成了一条位于带隙内的施主缺陷能级,这条能级的主要成分来自于近邻掺杂离子的Fe:4s和部分Fe:3d电子。空间自旋密度分布表明这些电子的自旋方向与掺杂离子的磁矩方向相反。施主缺陷能级与自旋向下的Fe:3d电子杂化,从而传递了Fe离子间的铁磁耦合作用。该结果证明了Fe掺杂In2O3铁磁性半导体中的铁磁性来源于施主杂质带诱导铁磁性机制,即F-center模型。·在Fe掺杂SnO2半导体中,Fe离子趋向亚铁磁耦合,这种独特的耦合方式来源于Fe替位Sn离子造成的晶格畸变。空间自旋密度分布表明在成键方向O:2p电子与Fe:3d电子自旋方向相反。由于Fe-O-Fe键角接近于120°,Fe离子间的铁磁交换作用和反铁磁交换作用相互竞争。在某些特定的替位方式下,FeSnO为反铁磁半金属态。总之,第一性原理计算结果表明:在过渡金属掺杂ZnO、In2O3和SnO2等宽禁带氧化半导体中,氧空位对其强铁磁性的形成起着重要的作用,特别是氧空位形成的缺陷能级的作用尤为关键。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 引言
• 1.1 自旋电子学简介
• 1.2 铁磁性半导体研究状况
• 1.2.1 早期研究
• 1.2.2 氧化物铁磁性半导体
• 1.2.3 Ⅳ族铁磁性半导体
• 1.3 第一性原理计算研究铁磁性半导体
• 1.3.1 Ⅲ-Ⅴ族铁磁性半导体
• 1.3.2 氧化物铁磁性半导体
• 1.4 研究方法
• 1.4.1 密度泛函理论和第一性原理计算软件
• 1.4.2 Quantum-Espresso简介
• 1.5 研究问题
• 参考文献
• 第二章 Co掺杂ZnO磁性半导体的电子结构和磁性
• 2.1 LDA+U方法计算无缺陷的CoZnO磁性半导体
• 2.1.1 ZnO简介
• 2.1.2 拟解决问题
• 2.1.3 计算体系与参数
• Co的计算方法'>2.1.4 U_Co的计算方法
• 2.1.5 CoZnO的磁性和能带结构
• 2.2 CoZnO中的氧空位与铁磁性
• 2.2.1 ZnO与CoZnO中的氧空位
• 2.2.2 拟解决问题
• 2.2.3 计算结构和参数
• 2.2.4 ZnO与CoZnO中氧空位的形成能
• 2.2.5 ZnO与CoZnO中氧空位形成的缺陷能级
• 2.2.6 CoZnO的磁性和能带结构
• 2.2.7 其它缺陷对CoZnO磁性的影响
• 2.3 本章小结
• 参考文献
• 2O₃磁性半导体的电子结构和磁性'>第三章 Fe掺杂In₂O₃磁性半导体的电子结构和磁性
• 2O₃基磁性半导体的的研究进展'>3.1 In₂O₃基磁性半导体的的研究进展
• 3.2 拟解决问题
• 2O₃晶体结构和计算参数'>3.3 In₂O₃晶体结构和计算参数
• 3.4 计算结果
• 3.4.1 FeInO的磁性
• 3.4.2 FeInO电子结构:能带、自旋密度和缺陷态空间分布
• 3.4.3 氧空位诱导Fe离子铁磁耦合
• 3.5 本章小结
• 参考文献
• 2磁性半导体的电子结构和磁性'>第四章 Fe掺杂SnO₂磁性半导体的电子结构和磁性
• 2基磁性半导体的实验研究进展'>4.1 SnO₂基磁性半导体的实验研究进展
• 4.2 拟解决问题
• 2晶体结构和计算参数'>4.3 SnO₂晶体结构和计算参数
• 4.4 计算结果
• 4.4.1 总能量和磁矩
• 4.4.2 FeSnO的能带结构和晶格畸变
• 4.4.3 FeSnO的自旋密度
• 4.4.4 FeSnO中的反铁磁半金属态
• 4.5 本章小结
• 参考文献
• 第五章 结论与展望
• 附录:计算机集群的组成与使用
• 1 硬件配置
• 2 节点软件配置
• 3 基准测试
• 4 故障与解决方式
• 致谢
• 研究生期间发表文章目录
• 附件
• 学位论文评阅及答辩情况表