C对ZnS:Co磁性的调制作用研究

发布时间：2017-05-27 07:04

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【摘要】：过渡金属离子掺杂在ZnS中,不仅可以作为发光中心提高材料发光效率,还使得材料兼具半导体特性和磁性,相应的器件可以同时利用电子的电荷自由度和自旋自由度进行信息存储和信息处理。常温下,ZnS块材一般具有闪锌矿结构,为直接带隙半导体,带隙宽度为3.72 eV,其激子束缚能(38 meV)高于室温下的热活化能(26 meV),因此在ZnS中掺杂过渡金属有望获得室温下可应用的自旋电子学材料和性能较好的发光材料。本文主要采用基于密度泛函理论的第一性原理方法研究Co掺杂ZnS的磁性、光学性质以及C对Co掺杂的ZnS材料的磁性调制作用。这方面的研究对寻找自旋电子学和磁光新材料、探寻相互作用机理方面有重要意义。本文具体研究内容如下:(1)计算分析了Co掺杂ZnS的磁性和光学性质。通过计算不同位置构型的Co掺杂ZnS的电子结构和磁性,发现反铁磁相更稳定。当两个Co间距离近时体系总能最低,最稳定,意味着体系中Co有团簇现象。此外我们还计算了Co掺杂ZnS介电函数的虚部,得出从0.7 eV开始有吸收峰,对应于红外吸收,即光学带隙为0.7 eV。结合电子结构发现这个吸收对应于Co的d-d跃迁。(2)研究了C、N对Co掺杂ZnS磁性的调制作用。计算了C和Co共掺的ZnS材料的电子结构和磁相互作用,发现连接在同一C上的两个Co之间为铁磁耦合,分析了C和Co间的磁耦合机制。计算表明不管Co与C的初始磁矩为铁磁耦合还是反铁磁耦合,经过离子和电子弛豫后总转化为反铁磁耦合方式,总磁矩为1μB。原因是与S相比,C的p能级能量更高、电负性更强,C与Co之间的p-d相互作用更强,形成了能级位置很高的反键态,从而导致C和Co间反铁磁耦合非常稳定。由于两个Co都和C反铁磁作用,导致两个Co为铁磁耦合。所以,通过C的掺杂实现了两个Co之间的铁磁耦合。我们用同样的方法计算了N和Co共掺的ZnS,但未得到同样的结果,原因是N在Zn S中掺杂时自旋交换劈裂较小,本身并不引入磁性。(3)计算研究了Co/Mn共掺ZnS体系磁性和光学性质。当Co和Mn为最近邻,即Co和Mn连接同一个S时,它们之间反铁磁耦合时体系更稳定,体系总磁矩为2μB。通过计算介电函数的虚部,发现光学吸收能量为0.6 eV,与Co掺杂ZnS相比发生了红移。
【关键词】：稀磁半导体 过渡金属 C、N调制磁性 光学性
【学位授予单位】：北京理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TN304.2;O482
【目录】：

• 摘要5-6
• Abstract6-9
• 第一章 绪论9-15
• 1.1 稀磁半导体10-11
• 1.2 d~0磁性半导体11-12
• 1.3 磁交换机制12-14
• 1.4 选题意义及研究内容14-15
• 第二章 理论方法介绍15-22
• 2.1 引言15
• 2.2 第一性原理方法15
• 2.3 绝热近似和单电子方程15-17
• 2.4 Hohenberg-Kohn定理及Kohn-Sham方程17-19
• 2.5 交换关联泛函19-20
• 2.5.1 局域密度近似19
• 2.5.2 广义梯度近似19-20
• 2.6 赝势法20
• 2.7 VASP程序包介绍20-22
• 第三章 Co~(2+)掺杂ZnS磁性和光学性质的研究22-33
• 3.1 引言22-23
• 3.2 能带结构模型23-25
• 3.3 计算参数25-26
• 3.4 Co掺杂ZnS的磁性分析26-30
• 3.4.1 一个Co掺杂ZnS电子结构分析26-28
• 3.4.2 两个Co掺杂ZnS的磁稳定性分析28-30
• 3.5 光学性质的研究30-32
• 3.6 本章小结32-33
• 第四章C、N调制的ZnS:Co铁磁性33-45
• 4.1 引言33
• 4.2 计算参数33-34
• 4.3 计算结果分析34-43
• 4.3.1 单个C掺杂ZnS34-36
• 4.3.2 单个C和单个Co掺杂ZnS36-38
• 4.3.3 单个C和两个Co掺杂ZnS38-40
• 4.3.4 单个N掺杂ZnS40-41
• 4.3.5 单个N和单个Co掺杂ZnS41-43
• 4.3.6 单个N和两Co掺杂ZnS43
• 4.4 本章小结43-45
• 第五章 Mn-Co共掺杂ZnS的磁性与光学性质45-49
• 5.1 引言45
• 5.2 计算方法45-46
• 5.3 计算结果与分析46-48
• 5.4 本章小结48-49
• 结论49-50
• 参考文献50-55
• 攻读学位期间发表论文与研究成果清单55-56
• 致谢56

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本文编号：399153