稀磁半导体及二元半金属铁磁体的第一性原理研究

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1、稀磁半导体及二元半金属铁磁体的第一性原理研究研究的的原因：对稀磁半导体的磁性原子的耦合关系只是片面的，没有与实际实验相联系。（1）磁性原子能否掺入半导体，能否替代到半导体中去，这涉及到杂质缺陷形成能的问题；（2）磁性原子在半导体中的价态和费米能的变化对磁性的影响；（3）磁性杂质间相互作用的距离，掺杂浓度相互作用的阀值和磁性原子形成团簇的趋势。研究的方法：本文只要以密度泛函理论为基础的第一性原理的计算。通过Hohenberg-Kohn定理说明了离子束密度函数是确定多粒子系统基态物理性质的基本变量以及能量泛函对

2、粒子数密度函数的变分是确定系统基态的途径。通过Kohn-sham方程解决了粒子数密度函数和确定了动能泛函，又通过局域密度近似、广义梯度近似等方法确定了交换关联能泛函。同时，应用了赝势方法和PAW方法，对其全电子波河全电子势的研究，在密度泛函的，应用电子波函数的基函数展开，和对其结构的优化的方法。研究的内容：首先，对ZnO:Cu和TiO2:V两类稀磁半导体基稀磁半导体进行第一性原理性设计研究，计算它们缺陷形成能，找出利用制备的外界环境；找出有利的磁性相互作用的过渡原子价态，计算出在该价态的磁性相互作用于距离之

3、间关系；得到有利于相互作用的费米能级区域，进而对半导体的本征缺陷的影响进行评价，并提出有利的共掺杂元素的参考；判断磁性原子是否有形成团簇的趋势；并对着两类稀磁半导体的磁性相互作用的起源作探讨。其次，对二元过渡金属硫化物和磷化物半金属，选取V基硫化物和磷化物作研究对象。结合实验中二元半金属薄膜在外延生长等非平衡手段下的获得，在二维应力的情况对V基半金属薄膜进行第一性原理模拟计算。针对Zinc-blende型半导体衬底上生长的本质，考虑到如下三方面：（1）对其基态结构和Zinc-blende型半导体的不同界面的

4、匹配，设计出最优模型，并对其几何结构的稳定性进行讨论；（2）对三维拉伸应力情况下，二元过渡金属出现半金属的不同，在二维时，对V基化合物的电子结构的稳定性；（3）对最有前景的两种半金属材料CrSe及MnSb，利用最优模型，对其几何稳定性进行讨论。研究的成果：一、在富氧的情况下，Cu替代Zn的形成能较低，可以掺入较大的量。Cu是一个弱的p型杂质，Cu2+/Cu+的过渡能级在价带顶以上0.98ev。Cu2+具有1uB的磁矩，而Cu+没有磁矩，Cu2+之间的是一种短程相互作用，并且具有一定的方向性。因此n型样品没有

5、磁性，而p型样品有磁性。Cu2+原子在近邻构型下，能量较低，有形成Cu-O-Cu团簇的趋势，且依旧保持铁磁性耦合关系。Cu的磁性来源于p-d跳跃相互作用，而这也是引起Cu团簇的原因。二、通过第一性原理计算研究了V掺入锐钛矿结构TiO2的电子结构，计算了V替代的Ti的缺陷形成能，VTi的缺陷电荷态的稳定性及其相关的磁性。进一步考虑了N,F,Cl共掺杂TiO2:V的可能性。当在p型样品中V趋于+5价，而在n型样品中V能稳定在+3与+4价。+5价的V原子没有磁矩，+3价与+4价的V原子具有磁矩。V4+对V3+对之

6、间都为铁磁态耦合关系，并且在近邻的构型下，能量较低，其磁性来源与p-d的跳跃相互作用。在富金属态的情况下，非金属共掺杂元素与VTi都具有较低的形成能，n型共掺杂元素F，Cl能对系统的磁性起到加强作用，而p型共掺杂N型将使系统的磁性消失。因此，具有n型特征的TiO2:V样品可用于磁性与光学性能复合的材料应用。三、利用二维应力模型显示ZB型二元V基化合物其铁磁性标准较易实现，VSe，VTe，及VAs在所考虑的衬底范围基本保持半金属性。但二元V基化合物的ZB结构外延能量始终高于使用最优匹配模型的NiAs型结构的外

7、延能量，同样也包括具有实现前景的CrSe与MnSb，因此其几何几何结构稳定性难以实现。所以对自旋注入材料将需要更注入超薄的ZB型半金属薄膜的研究。发展前景：对稀磁半导体，实验的重复性不高，制备环境对其性能的影响很大，磁性易受外界杂质及磁性团簇干扰，其样品的表征技术要求很高，其样品及磁性杂质的微结构对样品的性能影响很大。利用第一性原理计算虽能从根本上对其性质进行认识进而得到理想的材料，性质第一性原理计算只能在百个原子量级内进行计算，要求对计算模型的研究，找出影响材料的主要性能。同时针对密度泛函理论的交换关联能

8、对过渡金属原子描述的误差。对半金属磁体，难以制备出教厚的ZB型半金属薄膜，而现在现代电子器件只需要纳米量级的半金属薄膜可实现半导体自旋流的注入，应考虑表面效应及界面效应的超薄半金属铁磁体膜的第一性原理计算具有很有发展前景。