过渡金属原子掺杂的二维snse磁性特征及其调控的理论研究

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1、学校代码10530学号201510121192分类号O469密级硕士学位论文过渡金属原子掺杂的二维SnSe磁性特征及其调控的理论研究学位申请人李勤文指导教师唐超副教授学院名称物理与光电工程学院学科专业物理学研究方向计算物理二〇一八年六月八日Theoreticalstudyonthemodulationofmagnetisminthetransitionmetalatomsdopedtwo-dimensionalSnSeCandidateQinwenLiSupervisorAssociateProfessorChaoTangCollegeSchoolofPhysicsand

2、OptoelectronicsProgramPhysicsSpecializationComputationalPhysicsDegreeMasterofScienceUniversityXiangtanUniversityDateJune8,2018湘潭大学硕士学位论文摘要近年来，稀磁半导体由于在自旋器件等方面的潜在应用价值受到人们的关注。以硒化锡（SnSe）为代表的稀磁半导体具有电子电荷和自旋的双重特性，在未来的微纳米器件和自旋电子器件的设计制作方面具有广泛的应用前景。二维稀磁半导体较之三维体系具有易掺杂、磁性易调制、居里温度高等优点。对于二维半导体来说，利用携带磁性

3、的过渡金属原子（TM）掺杂是有效引入稳定磁矩的方法。所引入的磁矩通常具有可调制的特征，而且对应磁性系统的居里温度较高。本文采用基于密度泛函理论的第一性原理计算方法，系统研究钒、铬、锰、铁、钴、镍六种3d过渡金属原子掺杂形成的稀磁半导体的磁性机理及其调控机制。我们的研究结果表明当过渡金属吸附在单层硒化锡表面时，Hollow位为最稳定的吸附位置；当过渡金属替换Se原子时，掺杂的TM与邻近的五个Sn原子成键，形成C4v点群对称性的四方锥结构；替换Sn原子时，钒、铬、锰与邻近的五个Se原子成键，形成了C4v点群对称性的四方锥结构，而铁、钴、镍与邻近的三个Se原子成键，形成了C3v

4、点群对称性的三角锥形结构。通过缺陷形成能分析我们发现TM替位Sn(TM@Sn)为能量最优的掺杂系统。而且，在Co@Sn和Ni@Se体系中，形成了一个浅受主能级，分别位于0.03eV，0.015eV能量位置处。这说明Co@Sn和Ni@Se的半导体特性可以在室温调剂下激活，从而形成有效的p型半导体。以最稳定系统TM@Sn为例，我们详细研究了硒化锡稀磁半导体的磁性特征及其调制。我们发现TM@Sn表现为高自旋极化的稳定基态，其磁矩主要来源于TM自旋极化的3d态电子。我们利用晶场劈裂和自旋交换劈裂模型详细分析了TM-3d轨道的杂化。我们发现在TM@Sn中TM原子的电子排列满足洪特定

5、则，形成高自旋极化的电子组态。因此，对应磁矩分别为3μB、4μB、5μB、4μB、3μB和2μB。我们的研究还表明外加电场因为改变了TM与周边原子的相对位置而影响了3d轨道的晶场劈裂，所以实现了对TM@Sn自旋基态的调制。特别是，在Fe@Sn系统中，当外加电场达到0.4eV/Å时缺陷处的局域结构从C3v的三角结构转变为C4v的四方锥结构，晶场劈裂发生明显变化，从而实现了从“自旋开（S=2）”向“自旋关（S=0）”的转变。关键词：硒化锡；磁性；晶场劈裂；自旋交换劈裂；电场调控I湘潭大学硕士学位论文AbstractInrecentyears,dilutedmagneticse

6、miconductorshaveattractedmuchattentionduetotheirpotentialapplicationsinspindevices.Ononehand,dilutemagneticsemiconductorshaveexcellentopticalpropertiesofopticaltransitionmetalions,whichcanbeusedasopticalswitches,opticalisolatorsandotheropticaldevices.Ontheotherhand,inthesemiconductortechn

7、ology,becauseofthedualcharacteristicsofelectronicchargeandspin,ithasawideapplicationprospectinmicronanodevicesandspintronicdevices.Twodimensionaldilutedmagneticsemiconductorshavetheadvantagesofeasydoping,magneticmodulationandhighCurietemperaturecomparedwiththethree-