Ⅰ-Ⅱ-Ⅴ族基新型稀磁半导体的磁电性质研究
发布时间：2021-03-26 03:24
兼具磁性和半导体特性的稀磁半导体在自旋电子领域有广泛的应用前景,与传统的Ⅱ-Ⅴ族和Ⅲ-Ⅴ族稀磁半导体相比,Ⅰ-Ⅱ-Ⅴ族基新型稀磁半导体能够实现自旋和电荷注入机制的分离,且磁性离子的固溶度不受限制,这为研究稀磁半导体提供了新方向,也为制备居里温度高于室温的材料和研究磁性来源机理提供了可能。本文首先采用第一性原理计算方法,对不同浓度Mn掺杂LiMgN、Ag-Cr共掺LiZnP和不同浓度Mn/Cr掺杂LiCdAs的电子结构和光学性质进行了研究;然后通过高温固相反应法,成功制备了Li1.04(Cd1-xMnx)As和Li1.04(Cd1-xCrx)As两种块状材料,测量了其磁电性质。研究结果表明:（1）不同浓度Mn掺杂LiMgN体系计算发现:Mn掺杂给体系提供了自旋,Li含量对体系导电性质有影响,LiMgN体系的磁性和电性的分离调控以及提高体系居里温度可以通过Mn的掺入和改变Li、Mn的含量来实现。（2）Ag-Cr共掺LiZnP体系理论计算得到:Ag单掺时体系内无...
【文章来源】：重庆师范大学重庆市
【文章页数】：81 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
(Ga,Mn)As和Li(Zn,Mn)As晶体结构示意图
星星等[47]利用 GGA+U 计算了 Mn 掺杂 LiCaP 稀磁半导体，发现 Mn 的掺入和改变Li 的含量可以对 LiCaP 半导体进行电性和磁性的分离调控；徐建[48]计算了 Mn 掺杂 LiZnN 稀磁半导体，通过海森堡模型发现 Li 空位可以提高体系的居里温度，可达到 575K，实验上对 Mn/Cr 掺杂 LiZnP 进行了一系列研究。1.4 I-II-V 族基新型稀磁半导体的晶体结构I-II-V 化合物属于“四面体结构”的一类，可以看作是在闪锌矿 III-V 族化合物中，三族原子被“歧化”成 I+II 族原子，I 族原子通常是占据闪锌矿晶胞的四面体间隙位[49]，也被称为 Nowotny-Juza 化合物[50]。如图 1.4 所示，闪锌矿晶体结构排布：II 族位于τ1=(0, 0, 0)ɑ（ɑ是晶格常数），V 族位于τ2=(1/4,1/4,1/4)ɑ。立方晶体结构允许 Li 原子填隙在τ3=(1/2,1/2, 1/2)ɑ[51]。I 族：Li、Na、Cu、Ag；II 族：Mg、Zn、Cd；V 族：N、P、As、Sb、Bi。I-II-V 化合物被预测为带隙能量范围为 1.3-2eV 的直接带隙半导体[52]。
图 3.1 超晶胞结构图 (a)Li1±0.0625(Mg0.9375Mn0.0625)N;(b) Li1±0.125(Mg0.875Mn0.125)N3.2.2 计算方法本章计算中采用周期性边界条件，是用广义梯度近似(GGA)处理电子间的交换关联能的。描述离子实与价电子间的相互作用是采用平面波超软赝势法[14]，目的是为减少平面波基矢组展开个数。选取 Li、Mg、N、Mn 的价电子组态分别为Li:2s1、Mg:2p63s2、N:2s23p3、Mn:3d54s2（Mn 自旋态设为向上）。为了得到可靠的计算结果，计算开始时选取了不同的截断能(Ecut)计算本征 LiMgN 的晶格常数、自由能，发现 Ecut由 380eV 至 500eV 时体系各项参数趋于定值而达到收敛，因此，在倒易的 K 空间中，计算选取的 Ecut为 480eV。体系总能和电荷密度在对布里渊区(Brillouin)的积分计算采用 Monkhorst-Park[73]方案，对超晶胞体系选取 K 网格点为 4×4×4，其自洽收敛精度设为 2.0×10 6eV/atom。结构优化中采用 BFGS[74]算法优化。晶胞结构优化后，各项参数均优于收敛标准。3.3 计算结果与讨论
本文编号：3100850
【文章来源】：重庆师范大学重庆市
【文章页数】：81 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
(Ga,Mn)As和Li(Zn,Mn)As晶体结构示意图
星星等[47]利用 GGA+U 计算了 Mn 掺杂 LiCaP 稀磁半导体，发现 Mn 的掺入和改变Li 的含量可以对 LiCaP 半导体进行电性和磁性的分离调控；徐建[48]计算了 Mn 掺杂 LiZnN 稀磁半导体，通过海森堡模型发现 Li 空位可以提高体系的居里温度，可达到 575K，实验上对 Mn/Cr 掺杂 LiZnP 进行了一系列研究。1.4 I-II-V 族基新型稀磁半导体的晶体结构I-II-V 化合物属于“四面体结构”的一类，可以看作是在闪锌矿 III-V 族化合物中，三族原子被“歧化”成 I+II 族原子，I 族原子通常是占据闪锌矿晶胞的四面体间隙位[49]，也被称为 Nowotny-Juza 化合物[50]。如图 1.4 所示，闪锌矿晶体结构排布：II 族位于τ1=(0, 0, 0)ɑ（ɑ是晶格常数），V 族位于τ2=(1/4,1/4,1/4)ɑ。立方晶体结构允许 Li 原子填隙在τ3=(1/2,1/2, 1/2)ɑ[51]。I 族：Li、Na、Cu、Ag；II 族：Mg、Zn、Cd；V 族：N、P、As、Sb、Bi。I-II-V 化合物被预测为带隙能量范围为 1.3-2eV 的直接带隙半导体[52]。
图 3.1 超晶胞结构图 (a)Li1±0.0625(Mg0.9375Mn0.0625)N;(b) Li1±0.125(Mg0.875Mn0.125)N3.2.2 计算方法本章计算中采用周期性边界条件，是用广义梯度近似(GGA)处理电子间的交换关联能的。描述离子实与价电子间的相互作用是采用平面波超软赝势法[14]，目的是为减少平面波基矢组展开个数。选取 Li、Mg、N、Mn 的价电子组态分别为Li:2s1、Mg:2p63s2、N:2s23p3、Mn:3d54s2（Mn 自旋态设为向上）。为了得到可靠的计算结果，计算开始时选取了不同的截断能(Ecut)计算本征 LiMgN 的晶格常数、自由能，发现 Ecut由 380eV 至 500eV 时体系各项参数趋于定值而达到收敛，因此，在倒易的 K 空间中，计算选取的 Ecut为 480eV。体系总能和电荷密度在对布里渊区(Brillouin)的积分计算采用 Monkhorst-Park[73]方案，对超晶胞体系选取 K 网格点为 4×4×4，其自洽收敛精度设为 2.0×10 6eV/atom。结构优化中采用 BFGS[74]算法优化。晶胞结构优化后，各项参数均优于收敛标准。3.3 计算结果与讨论
本文编号：3100850
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