Fe、Co掺杂ZnO稀磁半导体第一性原理研究

发布时间：2017-10-02 17:11

  本文关键词：Fe、Co掺杂ZnO稀磁半导体第一性原理研究

  更多相关文章： 自旋电子器件 掺杂ZnO 磁性 电子结构 室温铁磁性 光学性质

【摘要】：自旋电子器件由于同时具备电子的电荷属性和自旋属性,可以极大地提高信息的处理和传输速度,扩展信息的存储能力。ZnO稀磁半导体在自旋电子器件领域具有广泛的应用前景,因而研究和制备出具有高质量的ZnO稀磁半导体已经成为研究者关注的重点。到目前为止,无论是理论上还是实验上都对ZnO稀磁半导体进行了大量的研究,并获得了众多有意义的研究成果,但是仍然存在很多问题需要研究者继续去解决,比如研究结果不统一、实验重复性差、磁性起源机理存在争议以及居里温度低等,这些问题都制约着它们的发展和应用。与此同时ZnO在光学性质方面也表现出优异的性能,因此有必要在研究其磁性的同时,对其光学性质进行研究,以期待为同时具有优异磁学特性和光学特性的电子器件的研究和制备提供重要的理论指导。本文的主要研究内容和结果如下:(1)构建Fe单掺杂ZnO和Co单掺杂ZnO的模型,对它们的磁性和电子结构进行计算和分析,其研究结果表明:在没有其他杂质元素或者缺陷引入的情况下,它们都不具备室温铁磁性。但是相对于Fe单掺杂ZnO在基态时表现为反铁磁态,Co单掺杂ZnO在基态时的磁稳定性与掺杂原子的相对位置有关,既可能是反铁磁态也可能是铁磁态。要使它们能够应用于实际,就必须通过其他途径对它们予以改性,使得它们具有室温铁磁性。多余电子形成的载流子对它们的铁磁态具有重要的调控作用,因而考虑能否通过增加载流子浓度的方法使得它们具有室温铁磁性。(2)构建了Fe-In共掺杂ZnO和Co-In共掺杂ZnO的模型,计算和分析了它们的磁性和电子结构,其研究结果表明:它们都具有室温铁磁性,并且相对而言Co-In共掺杂ZnO的室温铁磁性强于Fe-In共掺ZnO,更利于的实际应用。它们的磁性调控机理可以用多余载流子调控的双交换机制来解释,这里的多余载流子指的是自由电子。(3)对In掺入前的单掺杂ZnO和In掺入后形成的共掺杂ZnO的光学性质进行了计算和分析,其研究结果表明:相比于本征ZnO,它们的光学性质都发生了明显的变化:其一、虽然它们的吸收光谱仍然主要分布在紫外光区,但是它们的吸收能力明显要强于本征ZnO;其二、在低能的可见光区域(1.61eV到3.10eV),本征ZnO的吸收系数几乎为零,而它们却存在明显的吸收峰。再者,共掺杂ZnO的吸收能力强于单掺杂ZnO。因此它们在紫外光电子器件领域和可见光吸收利用的器件领域都具有很好的应用潜能,并且这种潜力是In掺入后形成的共掺杂ZnO大于In掺入前的单掺杂ZnO,同时Fe-In共掺杂ZnO大于Co-In共掺杂ZnO。
【关键词】：自旋电子器件 掺杂ZnO 磁性 电子结构 室温铁磁性 光学性质
【学位授予单位】：江苏大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TN304;O471
【目录】：

• 摘要4-6
• Abstract6-11
• 第一章 绪论11-21
• 1.1 引言11-12
• 1.2 稀磁半导体概述12-15
• 1.2.1 稀磁半导体简介12
• 1.2.2 稀磁半导体的研究进展12-13
• 1.2.3 稀磁半导体的磁性机理13-14
• 1.2.4 稀磁半导体的应用前景14-15
• 1.3 ZnO稀磁半导体15-16
• 1.4 国内外研究现状16-19
• 1.5 本文选题意义及研究内容19-20
• 1.5.1 本文选题的意义19
• 1.5.2 本文研究的主要内容19-20
• 1.6 本章小结20-21
• 第二章 第一性原理计算方法简介21-30
• 2.1 前言21
• 2.2 Hartree-Fock方法21-23
• 2.2.1 绝热近似21-22
• 2.2.2 Hartree-Fock近似22-23
• 2.3 密度泛函理论23-25
• 2.3.1 Hohenber-Kohn定理23-24
• 2.3.2 Kohn-Sham方程24
• 2.3.3 交换关联泛函24-25
• 2.4 平面波赝势方法25-27
• 2.4.1 平面波方法26
• 2.4.2 赝势26-27
• 2.5 光学性质理论基础27-28
• 2.6 计算软件Materials Studio介绍28-29
• 2.7 本章小结29-30
• 第三章 Fe、Co单掺杂ZnO的电子结构和磁性30-42
• 3.1 前言30
• 3.2 模型建立和计算方法30-32
• 3.2.1 模型建立30-32
• 3.2.2 计算方法32
• 3.3 计算结果与分析32-41
• 3.3.1 结构优化32-33
• 3.3.2 本征ZnO的电子结构分析33-35
• 3.3.3 单掺杂ZnO的磁稳定性分析35-37
• 3.3.4 单掺杂ZnO的磁矩分析37-38
• 3.3.5 单掺杂ZnO的电子结构分析38-41
• 3.4 本章小结41-42
• 第四章 Fe、Co与金属元素In共掺杂ZnO研究42-54
• 4.1 前言42
• 4.2 理论模型和计算方法42-44
• 4.2.1 理论模型42-43
• 4.2.2 计算方法43-44
• 4.3 计算结果与分析44-53
• 4.3.1 共掺杂ZnO的磁稳定性分析44
• 4.3.2 共掺杂ZnO的磁矩分析44-46
• 4.3.3 共掺杂ZnO的电子结构分析46-49
• 4.3.4 光学性质分析49-53
• 4.4 本章小结53-54
• 第五章 总结与展望54-57
• 5.1 总结54-55
• 5.2 展望55-57
• 参考文献57-65
• 致谢65-67
• 作者在攻读硕士期间发表的科研成果67
• 一、 期刊论文67
• 二、 发明专利67

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本文编号：960807