LiZnAs、LiZnP及LaZnAsO基稀磁半导体的电子结构和磁性研究

论文摘要

新型稀磁半导体作为一种非常重要的功能材料具有广泛的应用前景,它克服了传统稀磁半导体电荷和自旋“捆绑”的特点,可以实现对电荷和自旋的分别调控。本论文基于密度泛函理论第一性原理计算和分析,采用Materials Studio的CASTEP软件包系统地研究了 LiZnAs、LiZnP和LaZnAsO基新型稀磁半导体材料的电子结构和磁性,为寻找理想的新型稀磁半导体提供理论支持。主要研究内容和结论如下:（1）计算了 Cr掺杂LiZnAs体系的电子结构和磁性。Cr原子掺杂浓度6.25 at.%的情况下体系对外不显示磁性,而当掺杂浓度提高到12.5 at.%时,体系有明显的自旋极化,铁磁耦合结果表明体系是铁磁性（FM）稳定。Li空位和Zn空位使得体系的稳定性降低,而As空位使得体系的铁磁状态更稳定。两个Cr原子相互作用产生了 p-d轨道电子交互,即产生Cr↑-As↓-Crt作用链,导致体系都是FM稳定。（2）计算了 Cr掺杂LiZnP体系的电子结构和磁性。Cr原子掺杂浓度6.25 at.%的情况下,体系对外显示有磁性。铁磁耦合结果表明体系是FM稳定,铁磁稳定产生的原因是两个Cr原子相互作用产生了 p-d轨道电子交互,即产生Cr↑-P↓-Cr↑作用链。对空位体系的研究结果显示,Li空位增加了载流子浓度,导致体系的铁磁状态更稳定,Zn空位对体系的铁磁稳定性影响很小,P空位使得体系的铁磁稳定性下降。（3）计算了过渡金属元素（TM）掺杂LaZnAsO（TM=V、Cr、Mn、Fe、Co和Ni）时的电子结构和磁性,Ni掺杂LaZnAsO具有非磁性性质,V、Cr、Mn、Fe和Co掺杂LaZnAsO具有磁性,体系的磁矩主要来源于TM原子。用两个TM原子替换Zn原子,Mn、V这两组掺杂LaZnAsO是反铁磁性（AFM）稳定,Cr、Fe、Co这三组掺杂LaZnAsO是FM稳定。用碱土原子AE（AE=Ca、Sr、Ba）引入载流子,用TM原子引入磁矩,共同掺杂LaZnAsO来实现载流子和电荷的分别调控,还研究了不同载流子浓度对于体系的影响。本论文用TM原子引入自旋来提供磁矩,用空位或AE原子来提供载流子,以实现自旋和电荷的分别调控。研究结果表明:TM原子的引入可以使得非磁性基体对外显示磁性。而载流子可以调控磁性原子的耦合状态,载流子浓度并非越多越好,过量的载流子可能会抑制铁磁有序,甚至减弱体系的磁矩及铁磁耦合状态的稳定性。只有当局域磁矩和载流子的浓度匹配得当的时候,整个体系才处于最佳的铁磁有序状态。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
•   1.1 引言
•   1.2 自旋电子学
•     1.2.1 自旋电子学的研究现状和进展
•     1.2.2 自旋电子学的应用前景
•   1.3 稀磁半导体
•     1.3.1 稀磁半导体的概念
•     1.3.2 稀磁半导体的发展历史及研究进展
•   1.4 稀磁半导体的磁性产生机制
•     1.4.1 直接交换作用
•     1.4.2 Ruderman-Kittel-Kasuya-Yosida（RKKY）模型
•     1.4.3 载流子调节的双交换理论
•     1.4.4 平均场理论
•     1.4.5 超交换理论
•     1.4.6 束缚磁极化（BMP）理论
•   1.5 自旋与电荷注入机制相分离的新型稀磁半导体
•     1.5.1 自旋与电荷注入机制相分离的新型稀磁半导体
•     1.5.2 “111”型新型稀磁半导体
•     1.5.3 “122”型新型稀磁半导体
•     1.5.4 “1111”型新型稀磁半导体
•   1.6 本文研究的主要内容
• 第二章 理论基础和计算方法
•   2.1 能带理论的一些基本近似
•     2.1.1 Born-Oppenheimer近似（绝热近似）
•     2.1.2 Hartree-Fock近似（单电子近似）
•   2.2 密度泛函理论（DFT）
•     2.2.1 Hohenberg-Kohn定理
•     2.2.2 Kohn-Sham方程
•   2.3 交换关联泛函
•     2.3.1 局部密度近似（LDA）
•     2.3.2 广义梯度近似（GGA）
•   2.4 本文采用的密度泛函理论计算软件包（CASTEP）
• 第三章 Cr掺杂LiZnAs的电子结构及自旋电子性质调控
•   3.1 Cr掺杂LiZnAs的电子结构和磁性
•     3.1.1 研究背景
•     3.1.2 计算方法和模型建立
•     3.1.3 结果与讨论
•     3.1.4 小结
•   3.2 Cr掺杂LiZnAs铁磁稳定态研究
•     3.2.1 研究背景
•     3.2.2 计算方法和模型建立
•     3.2.3 结果与讨论
•     3.2.4 小结
•   3.3 空位对Cr掺杂LiZnAs体系电子结构和磁性的影响
•     3.3.1 研究背景
•     3.3.2 计算方法和模型建立
•     3.3.3 结果与讨论
•     3.3.4 小结
• 第四章 Cr掺杂LiZnP的电子结构及自旋电子性质调控
•   4.1 Cr原子掺杂LiZnP的电子结构及磁性研究
•     4.1.1 研究背景
•     4.1.2 计算方法和模型建立
•     4.1.3 结果与讨论
•     4.1.4 小结
•   4.2 两个Cr原子掺杂LiZnP的的六个组态电子结构和磁性
•     4.2.1 研究背景
•     4.2.2 计算方法和模型建立
•     4.2.3 结果与讨论
•     4.2.4 小结
•   4.3 空位对Cr掺杂LiZnP体系的电子结构和磁性影响
•     4.3.1 研究背景
•     4.3.2 计算方法和模型建立
•     4.3.3 结果与讨论
•     4.3.4 小结
• 第五章 “1111”型新型稀磁半导体LaZnAsO的电子结构及磁性研究
•   5.1 LaZnAsO基DMS的电子结构及磁性研究
•     5.1.1 LaZnAsO超胞构建和计算方法
•     5.1.2 LaZnAsO的能带结构和态密度
•     5.1.3 小结
•   5.2 过渡金属掺杂LaZnAsO的电子结构和磁性研究
•     5.2.1 研究背景
•     5.2.2 计算方法和模型建立
•     5.2.3 结果与讨论
•     5.2.4 小结
•   5.3 单个碱土原子（AE）与TM原子共掺杂LaZnAsO电子结构和磁性的研究
•     5.3.1 研究背景
•     5.3.2 计算方法和模型建立
•     5.3.3 结果与讨论
•     5.3.4 小结
•   5.4 两个AE原子与TM原子共掺杂LaZnAsO电子结构和磁性的研究
•     5.4.1 研究背景
•     5.4.2 计算方法和模型建立
•     5.4.3 结果与讨论
•     5.4.4 小结
• 结论
• 论文创新点
• 参考文献
• 攻读博士学位期间发表的学术论文
• 致谢

文章来源

类型: 博士论文

作者: 汪孟夏

导师: 张志华

关键词: 第一性原理,稀磁半导体,电子结构,磁性

来源: 大连交通大学

年度: 2019

分类: 基础科学

专业: 物理学

单位: 大连交通大学

分类号: O469

DOI: 10.26990/d.cnki.gsltc.2019.000004

总页数: 120

文件大小: 13016K

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