过渡金属原子掺杂ZnO的第一性原理研究
发布时间：2020-07-18 16:33
【摘要】：稀磁半导体材料因其兼具磁性和半导体材料的性质而备受关注。半金属(HM)材料的100%自旋极化率导致其费米能级处仅存在单一方向的自旋电子而广泛应用于自旋电子学器件。氧化锌(ZnO)作为Ⅱ-Ⅳ族宽带隙半导体材料,其优异的介电和光学性能,被认为是一种很有发展前途的室温制备磁性材料。而且大量研究结果已经表明过渡金属(TM)原子掺杂的ZnO体系可以表现出优良的HM特性。近年来,也有关于TM原子掺杂宽带系半导体团簇的研究但还没有系统全面研究Cr掺杂(ZnO)12团簇。本文通过使用以密度泛函理论为基础的第一性原理计算方法,研究了 TM原子掺杂的ZnO体系的结构、电子、磁特性和光学特性以及Cr原子掺杂(ZnO)12团簇的结构、电子和磁特性。得到结论:首先,对Zn1-xNixO(x=0.00,0.25,0.50,0.75,1)体系的结构、电子、磁性和光学特性进行自旋极化第一性原理计算。除了四方结构的Zn0.5Ni0.50体系,其他Zn1-xNixO体系都是立方结构。掺杂后的Zn0.25Ni0.75O、Zn0.5Ni0.50、Zn0.75Ni0.250和NiO体系都是完全HM材料因此可以应用于自旋电子器件。Zn1-xNixO体系的磁矩主要由Ni原子磁矩和少于与之平行的O和Zn原子磁矩贡献。其次,对两种相同的TM原子M(M=V、Cr、Mn、Fe、Co和Ni)掺杂ZnO体系的结构、电子和磁特性进行自旋极化第一性原理计算。同时根据两个相同TM原子之间不同距离考虑6种掺杂构型(0,i=1-6),最后将结果结合TM的价电子构型,利用超交换和双交换机制详细分析两个相同的TM原子间的铁磁与反铁磁耦合。在双交换机制下两个相同M离子间的FM耦合导致V(0,i=1-6),Cr(0,i=1-6),Fe(0,2)和Ni(0,i=4-6)体系是总磁矩分别为6、8、8和4μB的HM铁磁体。在超交换机制下两个相同M离子之间的AFM耦合导致Mn(0,i=1-6)和Co(0,i=1-6)体系为非磁性半导体以及Fe(0,i)和Ni(0,i=1-3)体系为非磁性金属。因此,两个Fe或Ni原子掺杂的ZnO体系表现出超交换和双交换机制间的竞争。最后,采用第一性原理研究了 Cr原子掺杂(ZnO)12团簇的结构、电子和磁特性。相比纯(ZnO)12团簇的最高占据分子轨道和最低未占据分子轨道(HOMO-LUMO)间的能隙,掺杂后团簇的HOMO-LUMO能隙均变小。a2构型的总磁矩为6μB而其构型总磁矩均接近4μB,这可能与Cr原子周围的局部环境有关。对于所有双掺杂构型(替换双掺、外双掺和内双掺),FM态的总磁矩为8μB而AFM态的总磁矩为0,AFM态的HOMO-LUMO能隙略大于FM态的能隙。双掺杂构型中Cr原子间的磁耦合主要AFM和FM作用的竞争。最重要的是,在这些双掺杂的情况下,外掺杂构型的FM耦合态最稳定,这可能会在未来的应用中应用于自旋相关纳米器件。
【学位授予单位】：陕西师范大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：O469
【图文】：
ＺｎＯ作为ＩＩ－ＶＩ族半导体，由于其直接宽带隙、优异的介电和光学性能，被认逡逑为是很有发展前途的室温制备磁性材料ｐ（Ｗ４，邋２Ｗ４］。大量研宄致力于探索纯ＺｎＯ和逡逑ＴＭ掺杂ＺｎＯ的结构和物理性质。众所周知，ＺｎＯ有三种晶体结构如图１－１，分别逡逑是闪锌矿（ＺＢ）结构（ａ），纤锌矿（ＷＺ）结构（ｂ）和岩盐矿（ＲＳ）结构（ｃ）逡逑［３５＿３７］。常温下，ＷＺ结构的ＺｎＯ的热力学稳定性最好，虽然ＺＢ结构的ＺｎＯ稳定逡逑性次之但是可以通过外延生长在ＺＢ衬底上达到稳定。而且ＺＢ结构具有较低的离逡逑子性，从而导致较低的载流子散射和较高的掺杂效率［３８］。ＺＢ结构的ＺｎＯ的平衡逡逑体积、体模量、相变点、共价度、光学性质、介电常数和波恩有效电荷都接近于逡逑ＷＺ结构的ＺｎＯ所对应的值［３９］。此外，ＺＢ结构的ＺｎＯ的等温体模量、热膨胀系逡逑数、格吕奈森参数和热力学参数也符合ＷＺ结构的ＺｎＯ所对应的值［３９］。因此，可逡逑以得出这样的结论：在匹配的紧密立方晶格衬底上生长的情况下，ＺＢ结构的ＺｎＯ逡逑可以替代ＷＺ结构的ＺｎＯ，而且这也早已在实验和理论上得到证实［４（Ｍ２］。逡逑１逡逑
２．３计算结果与讨论逡逑２．３．１优化结构逡逑图２－２描绘了邋Ｚｎｉ．ｘＮｉｘＯ邋（ｘ＝０．２５，０．５０，０．７５，１）体系的优化结构。红色、逡逑灰色和绿色球分别代表０、Ｚｎ和Ｎｉ原子。优化后的晶格常数ａ，ｂ，邋ｃ邋（Ａ）和体逡逑积Ｖ邋（邋Ａ３）列于表２－１。由于Ｎｉ＋２的离子半径（０．５５Ａ邋）小于Ｚｎ＋２的离子半径（０．６０Ａ）逡逑［７５］，因此ＺｉｖｘＭｘＯ体系的晶格常数随着Ｎｉ掺杂的浓度ｘ增加而减小从而引起体逡逑系Ｖ减小。此外，优化的晶体结构和相应的空间群同样也依赖于Ｎｉ掺杂的浓度Ｘ。逡逑只有完全替换的（ｄ）ＮｉＯ体系和纯ＺＢ结构的ＺｎＯ保持相同的立方结构（Ｎｏ．邋２１６）。逡逑虽然（ａ）邋Ｚｎａ７５Ｎｉａ２５０和（ｃ）邋ＺｎＱ２５Ｎｉａ７５０体系也保持立方结构而相应的空间群均逡逑变为Ｐ＾３ｍ邋（Ｎｏ．邋２１５）。由于Ｚｎ原子的平面和Ｎｉ原子的平面沿ｃ轴交替排列导致逡逑（ｂ）邋ＺｎＤ．５Ｎｉａ５０体系的ａ＝ｂ＝４．５４８７Ａ略大于ｃ＝４．５４０0Ａ从而晶体结构变为四方形逡逑相应的空间群变成Ｐｉｍ２邋（Ｎｏ．邋１１５）。逡逑进一步探讨Ｚｍ．ｘＮｉｘＯ邋（ｘ＝０．２５，邋０．５０，０．７５，邋１）体系结构的稳定性，通过以逡逑下公式计算形成能Ｅ／７６］。逡逑Ｅｆ邋＝Ｅ（ｄｏｐｅｄ－ＺｎＯ）－Ｅ（ＺｎＯ）＋ｎ（／ｉＺｎ邋－／／Ｎｉ）逦（１）逡逑８逡逑
ｌｅｖｅｌ邋ＥＦ邋ｉｓ邋ｓｅｔ邋ａｔ邋ｚｅｒｏ邋ｅｎｅｒｇｙ邋ａｎｄ邋ｉｎｄｉｃａｔｅｄ邋ｂｙ邋ｔｈｅ邋ｈｏｒｉｚｏｎｔａｌ邋ｒｅｄ邋ｄａｓｈｅｄ邋ｌｉｎｅｓ．逡逑为了详细研究Ｚｎｉ．ｘＮｉｘＯ邋（ｘ＝０．２５，邋０．５０，０．７５，邋１）体系的电子结构，我们逡逑在图２－４中画出了体系的自旋极化总态密度（ＴＤＯＳ）。蓝线和红线分别代表自旋逡逑向上和自旋向下轨道。费米能级ＥＦ在能量为零的位置处并用垂直的黑色虚线表示。逡逑首先，纯ＺｎＯ体系两个轨道的ＴＤＯＳ完全对称，显示出纯ＺｎＯ具有１．４３ｅＶ带隙逡逑的非磁性半导体。而当Ｎｉ掺杂浓度ｘ＝０．２５，０．５０，邋０．７５和１时自旋向上和自旋向逡逑１１逡逑
本文编号：2761146
【学位授予单位】：陕西师范大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：O469
【图文】：
ＺｎＯ作为ＩＩ－ＶＩ族半导体，由于其直接宽带隙、优异的介电和光学性能，被认逡逑为是很有发展前途的室温制备磁性材料ｐ（Ｗ４，邋２Ｗ４］。大量研宄致力于探索纯ＺｎＯ和逡逑ＴＭ掺杂ＺｎＯ的结构和物理性质。众所周知，ＺｎＯ有三种晶体结构如图１－１，分别逡逑是闪锌矿（ＺＢ）结构（ａ），纤锌矿（ＷＺ）结构（ｂ）和岩盐矿（ＲＳ）结构（ｃ）逡逑［３５＿３７］。常温下，ＷＺ结构的ＺｎＯ的热力学稳定性最好，虽然ＺＢ结构的ＺｎＯ稳定逡逑性次之但是可以通过外延生长在ＺＢ衬底上达到稳定。而且ＺＢ结构具有较低的离逡逑子性，从而导致较低的载流子散射和较高的掺杂效率［３８］。ＺＢ结构的ＺｎＯ的平衡逡逑体积、体模量、相变点、共价度、光学性质、介电常数和波恩有效电荷都接近于逡逑ＷＺ结构的ＺｎＯ所对应的值［３９］。此外，ＺＢ结构的ＺｎＯ的等温体模量、热膨胀系逡逑数、格吕奈森参数和热力学参数也符合ＷＺ结构的ＺｎＯ所对应的值［３９］。因此，可逡逑以得出这样的结论：在匹配的紧密立方晶格衬底上生长的情况下，ＺＢ结构的ＺｎＯ逡逑可以替代ＷＺ结构的ＺｎＯ，而且这也早已在实验和理论上得到证实［４（Ｍ２］。逡逑１逡逑
２．３计算结果与讨论逡逑２．３．１优化结构逡逑图２－２描绘了邋Ｚｎｉ．ｘＮｉｘＯ邋（ｘ＝０．２５，０．５０，０．７５，１）体系的优化结构。红色、逡逑灰色和绿色球分别代表０、Ｚｎ和Ｎｉ原子。优化后的晶格常数ａ，ｂ，邋ｃ邋（Ａ）和体逡逑积Ｖ邋（邋Ａ３）列于表２－１。由于Ｎｉ＋２的离子半径（０．５５Ａ邋）小于Ｚｎ＋２的离子半径（０．６０Ａ）逡逑［７５］，因此ＺｉｖｘＭｘＯ体系的晶格常数随着Ｎｉ掺杂的浓度ｘ增加而减小从而引起体逡逑系Ｖ减小。此外，优化的晶体结构和相应的空间群同样也依赖于Ｎｉ掺杂的浓度Ｘ。逡逑只有完全替换的（ｄ）ＮｉＯ体系和纯ＺＢ结构的ＺｎＯ保持相同的立方结构（Ｎｏ．邋２１６）。逡逑虽然（ａ）邋Ｚｎａ７５Ｎｉａ２５０和（ｃ）邋ＺｎＱ２５Ｎｉａ７５０体系也保持立方结构而相应的空间群均逡逑变为Ｐ＾３ｍ邋（Ｎｏ．邋２１５）。由于Ｚｎ原子的平面和Ｎｉ原子的平面沿ｃ轴交替排列导致逡逑（ｂ）邋ＺｎＤ．５Ｎｉａ５０体系的ａ＝ｂ＝４．５４８７Ａ略大于ｃ＝４．５４０0Ａ从而晶体结构变为四方形逡逑相应的空间群变成Ｐｉｍ２邋（Ｎｏ．邋１１５）。逡逑进一步探讨Ｚｍ．ｘＮｉｘＯ邋（ｘ＝０．２５，邋０．５０，０．７５，邋１）体系结构的稳定性，通过以逡逑下公式计算形成能Ｅ／７６］。逡逑Ｅｆ邋＝Ｅ（ｄｏｐｅｄ－ＺｎＯ）－Ｅ（ＺｎＯ）＋ｎ（／ｉＺｎ邋－／／Ｎｉ）逦（１）逡逑８逡逑
ｌｅｖｅｌ邋ＥＦ邋ｉｓ邋ｓｅｔ邋ａｔ邋ｚｅｒｏ邋ｅｎｅｒｇｙ邋ａｎｄ邋ｉｎｄｉｃａｔｅｄ邋ｂｙ邋ｔｈｅ邋ｈｏｒｉｚｏｎｔａｌ邋ｒｅｄ邋ｄａｓｈｅｄ邋ｌｉｎｅｓ．逡逑为了详细研究Ｚｎｉ．ｘＮｉｘＯ邋（ｘ＝０．２５，邋０．５０，０．７５，邋１）体系的电子结构，我们逡逑在图２－４中画出了体系的自旋极化总态密度（ＴＤＯＳ）。蓝线和红线分别代表自旋逡逑向上和自旋向下轨道。费米能级ＥＦ在能量为零的位置处并用垂直的黑色虚线表示。逡逑首先，纯ＺｎＯ体系两个轨道的ＴＤＯＳ完全对称，显示出纯ＺｎＯ具有１．４３ｅＶ带隙逡逑的非磁性半导体。而当Ｎｉ掺杂浓度ｘ＝０．２５，０．５０，邋０．７５和１时自旋向上和自旋向逡逑１１逡逑
【参考文献】
相关期刊论文 前1条
1 李强,李殿中,钱百年;元胞自动机方法模拟枝晶生长[J];物理学报;2004年10期
本文编号：2761146
本文链接：https://www.wllwen.com/kejilunwen/wulilw/2761146.html
