空位及过渡金属掺杂对3C-SiC纳米线磁性的影响研究

发布时间：2020-07-24 06:39

【摘要】：随着半导体自旋电子学的兴起,稀磁半导体成为研究的热点。目前研究的关键问题就是要寻找具有高自旋极化率、高居里温度的稀磁半导体材料。3C-SiC纳米线作为一种潜在的稀磁半导体,在实验方面已经具有了室温铁磁性,但是对于其产生室温铁磁性的微观机制的研究还相对较少,其铁磁态可能与空位、掺杂杂质等因素有关。因此本文采用第一性原理计算方法从形成能、能带结构、态密度、自旋密度以及Mulliken布居数等方面,对本征3C-SiC纳米线、含有不同价态的Si空位或者不同价态的Si-C双空位的3C-SiC纳米线、不同过渡金属(Transition Metal,TM)掺杂的3C-SiC纳米线、不同Mn掺杂浓度的3C-SiC纳米线、空位与不同过渡金属络合掺杂的3C-SiC纳米线的电子结构和磁性性质进行了研究。主要结论如下:1.本征3C-SiC纳米线不具有磁性,中性Si空位和Si-C双空位的引入也不能使3C-SiC纳米线具有磁性,而引入带负价态的Si空位和Si-C双空位均可以使3C-SiC纳米线具有磁性,由态密度分析可知其磁性的来源均为C-2p态的自旋劈裂。含负一价Si空位、负二价Si空位、负一价Si-C双空位的纳米线磁矩分别为2uB、3UB和1uB。其中含负一价Si空位的纳米线与含负一价Si-C双空位的纳米线均为反铁磁性稳定,而含负二价Si空位的纳米线有可能在室温下保持稳定的铁磁态。2.在不同过渡金属(Fe,V,Cr,Mn)掺杂的3C-Si36T MC37纳米线中,Fe掺杂的纳米线具有金属特性且无磁性,而V,Cr,Mn掺杂的纳米线均为半金属材料且具有磁性,其磁矩分别为1uB、2UB和3uB,并且纳米线均为铁磁性稳定。由态密度分析可知其磁性的来源均为TM-3d态与C-2p态的p-d杂化作用。其中Cr掺杂3C-SiC纳米线的半金属带隙最大,居里温度最高,因而可以成为优质的半金属性铁磁体。除此之外还讨论了不同Mn掺杂浓度对3C-SiC纳米线磁性的影响,即随着Ma掺杂浓度的增加,C-2p态和Mn-3d态劈裂的程度增大、总磁矩也增大。3.在空位与不同过渡金属络合掺杂的3C-SiC纳米线中,3C-Si36FeeC36纳米线、3C-Si33VC36纳米线线、C3SSi36CrC36米米线、C3-Si3MMnC6纳米线均具有磁性,其磁矩分别为为4UB、1UB、4uB和5UB由由密度分析可知其磁性的来源均为TTM-3态与C-2P态、Si-3P态的p-d杂化作用。其中3C-Si36FFeC36纳米线和3C-VC36纳米线具有金属特性且为反铁磁性稳定,而3C-Si36CrC36纳米线和3C-Si36MnC36纳米线为半金属材料且为铁磁性稳定。且相比于 3C-Si36CrC37纳米线和 3C-Si36MnC37纳米线,3C-Si36CrCr36纳米线和3C-Si36MnC36纳米线的半金属带隙和居里温度均有所降低。
【学位授予单位】：西安理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TN304.7
【图文】：

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体材料一直以来都是制备微电子器件的主要材料，并且半导体器件工艺半导体自旋电子学成为研究的热点。相比于传统的半导体器件，自旋半性好、运行速度快、高集成密度、非易失性、低能量消耗等优点。半导体自旋电子学的兴起，则同时具有磁性性质与半导体性质的材料—iluted Magnetic Semiconductors, DMS)成为了各国的研究热潮[3-5]。稀磁半料的基础上通过磁离子掺杂使材料同时具有磁性性质和半导体性质。由料相比，该类半导体所具有的磁性较弱，因此为稀磁半导体。图 1-1 为半导体与非磁性半导体比较的示意图[6]，由图可以看出磁性半导体材料期性排列，稀磁半导体中仅具有较少的磁性离子，而非磁性半导体中并磁性的材料根据其电子自旋排列主要可以分为四类，即顺磁性、反铁磁磁性材料。顺磁性材料的自旋在空间上的取向是无序的；反铁磁性材料列方式相反但是其磁量子数都是相等的；亚铁磁性材料则是相邻自旋的量子数不等；铁磁性材料的相邻自旋都是沿着同一个方向排列；图 1-2 旋排列示意图[7]。(a) (b) (c)

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图 1-2 自旋排列示意图：(a)顺磁性；(b)反铁磁性；(c)亚铁磁性；(d)铁磁性-2 Spin arrangement diagram: (a) Paramagnetic; (b)Antiferromagnetic; (c) Ferrim(d) Ferromagnetic半导体材料中的载流子即电子和空穴，它们上下自旋的数量是相等极化现象。但是稀磁半导体由于掺杂了一些特殊的杂质即磁性杂质现象。相比于传统的半导体材料，稀磁半导体材料具有以下几个特质之间的相互作用即磁耦合作用会使材料具有铁磁性或者反铁磁性的载流子会和磁性杂质的局域磁矩发生相互交换作用，从而影响半带结构、杂质能级等性质，并且这些性质会随外加磁场而变化，因场的大小和方向来改变材料整体的物理性质。通过改变掺杂种类和导体材料的晶格常数、能带结构、禁带宽度、载流子有效质量等物磁、光、电性能的调控。因此稀磁半导体在自旋量子计算机、自旋、半导体集成电路、自旋阀、光隔离器、磁感应器、高密度非易失领域具有非常广阔的应用前景[8-9]。半导体材料的研究方面，最重要的问题就是要寻找具有在高居里温

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-Si19C19纳米线模型 (a)顶视图；(b)侧视图 (黄色球代表 Si 原子，灰色球代表 C 原子，白代表 H 原子)g. 3-1 The model of 3C-Si19C19nanowire (a) Top view; (b) Side view (The yellow ball are Si atothe gray ball are C atoms, and the white ball are H atoms)-2 3C-Si37C37纳米线模型 (a)顶视图；(b)侧视图 (黄色球代表 Si 原子，灰色球代表 C 原子色球代表 H 原子)g. 3-2 The model of 3C-SiCnanowire (a) Top view; (b) Side view (The yellow ball are Si ato(a) (b)

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