5d过渡金属吸附graphyne磁特征的第一性原理研究

发布时间：2017-10-23 20:10

  本文关键词：5d过渡金属吸附graphyne磁特征的第一性原理研究

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【摘要】：以石墨烯为代表的二维单原子层材料,因为其独特的性质而备受关注。与石墨烯具有零带隙特征不同的是,单层的石墨炔(graphyne)因为具有0.52e V的带隙,因此具有与传统的半导体材料类似的性质,更容易对其能带结构等特征进行调制,使其在纳米电子器件和自旋电子器件方面具有广泛的应用前景,所以也引起了广泛的关注。为了实现二维材料在器件上的应用,必须对其性质实现可控调制。而过渡金属吸附就是一种有效的调制方法。通过过渡金属吸附我们可以在二维体系中引入磁性,在磁性存储器件中,需要材料具有较大的磁各向异性能(MAE)。而通过将磁性原子吸附在非磁性的基底上以获得较大的磁各向异性能一直是自旋电子器件的研究热点之一。因此,本文利用第一性原理的方法,研究了5d过渡金属原子吸附graphyne,对其磁性性质,磁各向异性能和电子结构的调制效应,取得了以下主要研究成果:1、我们首先研究了单个5d过渡金属原子吸附对graphyne的磁性特征的调制效应。结果表明,单个5d过渡金属原子能够稳定的吸附于graphyne,并且除了Hf吸附graphyne以外,其他的5d过渡金属原子(Ta,W,Re,Os和Ir)吸附graphyne都能使体系诱导出磁性,使相应的体系诱导出自旋极化金属的特征。2、具有较大的磁各向异性能(MAE)的材料在磁性存储和自旋电子器件中具有重要的应用前景。二维材料的尺寸效应和维度效应为获得较大的磁各向异性提供了有利的条件,我们的结果通过5d过渡金属吸附graphyne是实现较大的磁各向异性的一个有效途径。我们研究了单个5d过渡金属原子吸附graphyne的磁各向异性能。结果表明,Re,Os和Ir在graphyne表面吸附表现出-59.91meV,17.81meV和-28.88meV大小的磁各向异性能,而Ta和W吸附表现出的磁各向异性能比较小,MAE值大小分别为3.97meV和7.17meV。同时,Os和Ir吸附graphyne表面的易磁化轴的是沿z轴方向的,而其他的均在graphyne平面内。并且磁各向异性能对Hubbard Ueff值比较敏感,我们以线性响应的方法计算的Hubbard U值为基础,对Re,Os和Ir吸附graphyne表面的磁各向异性能随Ueff值的演化做了系统分析。通过m值分解的PDOS分析可知,5d过渡金属原子的d态电子在Fermi能级附近的占据态和非占据态之间是通过算符?zL还是?L?(或?L-)相互作用,而Ueff值对MAE的影响主要是改变了它们相互作用强度的大小。3、在单个5d过渡金属(Re,Os和Ir)吸附graphyne的基础上,我们进一步研究了5d过渡金属原子完全吸附占据graphyne的炔环位置的磁性和电子结构。我们的计算结果表明,Re完全吸附graphyne体系系具有2B?的局域磁矩。更有趣的是体系还出现了half-metal的性质,通过计算Hubbaard U值的增加对体系half-metal性质的影响结果表明,当Ueff值达到3.0eV时,体系将不再具有half-metal性质。该体系的half-metal主要是来源于Re的d态轨道的贡献。Os全吸附graphyne和Ir全吸附graphyne的磁矩分别为0和0.06B?;4、针对Re和Ir在graphyne炔环位置全吸附体系的磁各向异性的计算,我们发现:Re全吸附graphyne体系具有较大的磁各向异性能,其值为-53.07meV,且易磁化轴为轴向。Re全吸附体系的MAE随Ueff值的演化结果表明,Ueff值从0.0eV增加到2.0eV时,MAE值从-53.07meV增加到-53.78meV,而Ueff值继续增加到3.0eV时,MAE值则降低到-25.20meV。而Ir完全吸附graphyne的系统仅仅表现出0.19meV的磁各向异性能。我们的工作表明Re吸附graphyne系统是磁性存储器件方面具有应用前景的材料。
【关键词】：石墨炔 第一性原理 磁性 磁各向异性能
【学位授予单位】：湘潭大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：O613.71
【目录】：

• 摘要4-6
• Abstract6-10
• 第1章 绪论10-15
• 1.1 二维材料简介10-11
• 1.2 过渡金属吸附对二维材料的磁性调控11-12
• 1.3 过渡金属在位库伦势对体系磁性特征理论描述的影响12-13
• 1.4 磁各向异性能（MAE）13-14
• 1.5 本论文研究的意义和主要内容14-15
• 第2章 理论与方法15-23
• 2.1 第一性原理方法简介15
• 2.2 单电子近似理论15-16
• 2.2.1 Born Oppenheimer近似（绝热近似）15-16
• 2.2.2 Hartree-Fock近似（单电子近似）16
• 2.3 密度泛函理论16-19
• 2.3.1 Hohenberg Kohn定理16-17
• 2.3.2 Kohn-Sham方程17-19
• 2.4 交换关联势19-20
• 2.4.1 局域密度近似（LDA）19-20
• 2.4.2 广义梯度近似（GGA）20
• 2.5 赝势方法20-21
• 2.6 磁各向异性能的计算方法21
• 2.7 计算软件介绍21-23
• 第3章 单个5d过渡金属吸附graphyne的电子结构和磁各向异性能23-38
• 3.1 引言23-24
• 3.2 模型和计算方法24-25
• 3.3 计算结果与分析25-30
• 3.3.1 5d过渡金属吸附graphyne的结构及其稳定性25-26
• 3.3.2 5d过渡金属吸附graphyne的电子结构和磁性特征26-29
• 3.3.3 5d过渡金属原子吸附graphyne体系的Hubbard U值29-30
• 3.4 5d过渡金属吸附graphyne的磁各向异性能研究30-36
• 3.5 本章小结36-38
• 第4章 5d过渡金属原子全覆盖吸附graphyne的电子结构和磁各向异性能38-45
• 4.1 引言38
• 4.2 模型和计算方法38-39
• 4.3 计算结果与讨论39-44
• 4.3.1 5d过渡金属全覆盖吸附graphyne的结构及其稳定性39
• 4.3.2 5d过渡金属全覆盖吸附graphyne的电子结构和磁性特征39-42
• 4.3.3 Re全覆盖吸附graphyne体系的磁各向异性能研究42-44
• 4.4 本章小结44-45
• 第5章 总结与展望45-47
• 5.1 论文总结45-46
• 5.2 工作展望46-47
• 参考文献47-52
• 致谢52-53
• 攻读硕士期间公开发表的论文53

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本文编号：1085142