缺陷诱导ZnO表面及TiO2纳米管的磁性研究

论文摘要

随着科学技术和社会经济的高速发展,人们对手机,电脑等电子产品的要求也越来越高。有着大容量,便捷读取,快速储存等特点的电子产品备受欢迎。具有自旋属性和电荷属性的稀磁半导体,因其可以极大的提高信息的读取以及存储速度,可以应用于自旋量子计算机等方面。但是,迄今为止稀磁半导体并没有得到广泛的使用,主要存在两方面的问题:（1）居里温度低于室温,不能在室温下正常使用;（2）饱和磁化强度低。因此,如何提高稀磁半导体的居里温度以及饱和磁矩引起了广泛的关注。研究发现,在无磁半导体中产生磁性的途径主要有三种:1、在无磁性的半导体中掺杂磁性元素;2、在材料表面吸附气体;3、本征空位诱导材料产生磁性。但是由于掺杂会形成磁团簇并且引入二次相,因此目前人们更关注本征空位诱导材料产生磁性。英国皇家科学院Coey院士将本征空位诱导的材料磁性定义为d0磁性,但有关d0磁性的起源问题迄今为止并没有统一的认识:多数的实验结果报道,在无掺杂的稀磁半导体中材料铁磁性的产生是由阴离子空位引起的;而理论计算的结果表明,阳离子空位会诱导材料产生磁性。实验中往往用真空退火及空气回火来探索材料磁性的来源。半导体金属氧化物经过真空退火后磁性增强,空气回火后磁性减弱。基于这个实验现象,研究者认为真空退火导致氧空位增加,而空气回火后,材料中的氧空位减少,磁性先增加后减弱。空气中氧气的占比为21%,且化学性质活泼,因此实验过程所制备的样品会不可避免的与氧气发生接触。我们认为探索材料表面氧气分子的吸附后对材料磁性的影响是非常有必要的。在此基础上我们探索了氧气分子吸附对半导体金属氧化物Zn O的d0磁性的影响。此外,大多数先前的铁磁研究关注于Ti O2薄膜和块体,然而很少研究Ti O2纳米管的磁性。由于实验技术的快速发展,Ti O2纳米管已经通过多种方式被成功制造,在光催化和电化学等领域被广泛研究。最近的实验结果表明未掺杂的Ti O2纳米管的磁性与它的管状有着非常紧密的联系。因此探究Ti O2超薄纳米管的本征空位所引导的d0磁性意义重大。通过研究我们得到如下结论:1、对于无缺陷的w-Zn O（100）表面,氧气分子难以形成化学吸附。空位形成能的计算表明,在多数情况下,氧空位比锌空位更稳定,表层空位比亚表层空位更容易产生。对于含空位的Zn O（100）表面,氧气分子可以自发吸附,而且氧气分子在缺氧表面比缺锌表面具有更高的吸附能力。此外,表层锌空位的存在可以抑制更多的氧气分子吸附。磁计算结果表明,完美的wZn O（100）表面和仅含有氧缺陷的表面是无磁性的,而锌空位可以在表面引入局部磁矩。对于缺氧Zn O（100）表面,当吸附氧分子的数量等于表面氧空位的数量时,表面的磁矩较小。但是随着吸附氧分子数量的增多,会对整个系统的磁矩有积极的作用。相反,吸附的氧气分子的引入会使缺锌Zn O（100）表面的磁矩减小。2、采用溶胶-凝胶法制备的Zn O纳米粉体在600℃的空气中退火1 h表现出室温铁磁性,而且这个室温铁磁性经过在600℃中真空退火30 min后磁性增强。并且真空退火样品在0.1Mpa的氧气环境中室温处理16 h后室温铁磁性再一次得到增强。说明在半导体金属氧化物中氧气吸附对磁性增强有积极作用。我们对Zn O（100）表面上氧气分子的吸附进行了详细的DFT研究,在理想氧化锌表面的所有吸附点上,O2的化学吸附都是不利的。对于缺氧的亚表面,O2分子可以进行放热的化学吸附,自发地填补空缺,其O 2p轨道在费米能级附近的自旋极化可以引入较大的本征磁矩。可以确定,氧气吸附为调节电子性能和自旋极化提供了良好的选择。3、卷曲能的计算显示（m,0）金红石Ti O2纳米管遵循经典弹性理论。与单个原子层卷曲的纳米管相比,Ti O2纳米管的壁厚较大,需要更多的能量才能从Ti O2纳米片形成Ti O2纳米管。随着纳米管直径的增加,管壁厚度变薄,结合能和带隙增大,直至达到饱和。对于（10,0）金红石Ti O2纳米管,VTi0可以诱导一个大的局域磁矩和长程铁磁耦合,VO0空位则不可以。空位形成能计算显示V0Ti和VO+空位相比于VTi0和VO0空位更加稳定。此外,在（10,0）金红石Ti O2纳米管引入V0Ti空位导致不稳定的铁磁耦合,然而,VO+空位更有利于形成铁磁耦合。此外,相同类型的氧空位相互吸引,不同类型的氧空位相互排斥。

论文目录

• 摘要
• ABSTRCT
• 第一章 绪论
•   1.1 稀磁半导体的出现
•   1.2 磁理论模型的建立
•     1.2.1 直接交换作用
•     1.2.2 超交换作用
•     1.2.3 束缚磁极化子模型
• 0模型'>    1.2.4 d⁰模型
•   1.3 课题的选题来源
•   参考文献
• 第二章 密度泛函理论
•   2.1 密度泛函理论
•     2.1.1 Hohenberg-Kohn定理
•     2.1.2 Kohn-Shom方案
•   2.2 交换关联泛函
•     2.2.1 局域密度近似-LDA
•     2.2.2 广义梯度近似-GGA
•     2.2.3 杂化交换关联泛函
•   2.3 VASP介绍
• 第三章 氧分子吸附于ZnO（100）面的电子性质和磁性
•   3.1 引言
•   3.2 计算方法
•   3.3 结果与讨论
•     3.3.1 理想的w-ZnO（100）表面的结构和电子性能
•     3.3.2 缺陷的稳定性
•     3.3.3 w-ZnO（100）表面空位诱导磁性产生
•     3.3.4 氧分子吸附在无缺陷的w-ZnO（100）表面
•     3.3.5 氧吸附对缺氧w-ZnO（100）表面磁性的影响
•     3.3.6 氧分子吸附在含有Zn缺陷的w-ZnO（100）表面
•     3.3.7 讨论
•   3.4 结论
•   参考文献
• 第四章 氧吸附对含氧缺陷的氧化锌纳米粒子磁性影响的实验和理论研究
•   4.1 引言
•   4.2 实验细节
•   4.3 计算方法
•   4.4 结果和讨论
•     4.4.1 氧化锌纳米粉体的室温铁磁性
• 2 分子吸附在ZnO（100）表面'>    4.4.2 O₂分子吸附在ZnO（100）表面
• 2 吸附对缺氧ZnO（100）表面磁性的影响'>    4.4.3 O₂吸附对缺氧ZnO（100）表面磁性的影响
•     4.4.4 讨论
•   4.5 结论
•   参考文献
• 2超薄纳米管的电子结构,稳定性,和磁性'>第五章 金红石TiO₂超薄纳米管的电子结构,稳定性,和磁性
•   5.1 研究现状介绍
•   5.2 计算方式
•   5.3 结果和讨论
• 2纳米管的结构特性、稳定性和磁性研究'>    5.3.1 原始金红石TiO₂纳米管的结构特性、稳定性和磁性研究
•     5.3.2 缺陷结构
•     5.3.3 含有阳离子空位金红石纳米管的磁性和磁耦合
• 2纳米管的磁性和磁耦合'>    5.3.4 含有氧空位的金红石TiO₂纳米管的磁性和磁耦合
•   5.4 结论
•   参考文献
• 第六章 总结与展望
• 致谢
• 攻读硕士期间发表的学术论文目录

文章来源

类型: 硕士论文

作者: 马宁贵

导师: 张雍家

关键词: 第一性原理,氧化锌,铁磁性,本征空位,吸附氧

来源: 太原理工大学

年度: 2019

分类: 基础科学,工程科技Ⅰ辑

专业: 物理学,材料科学

单位: 太原理工大学

分类号: O472;TB383.1

总页数: 85

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