二维材料/磁性半导体异质结磁性及输运性质的研究

论文摘要

自旋和电荷是电子所具有的两个内禀的属性。信息的处理和传输主要应用了电子的电荷属性,而自旋属性则被用作信息的储存,常常由磁性材料来完成。如果一种材料能够兼具电子的电荷属性和自旋属性,无疑将会促进自旋电子学器件的快速发展。稀磁半导体同时具有铁磁性和半导体的性质,吸引了研究者们的广泛关注。与此同时,随着电子器件的进一步小型化,将二维材料与自旋电子学相结合,已经成为新的发展趋势。利用不同二维金属、半导体和绝缘体材料堆垛起来构建的范德瓦尔斯异质结可以用来制造多种电子器件,例如自旋阀、磁隧道结以及光伏器件等。然而,在寻找具有高居里温度、高载流子迁移率以及高自旋极化率等特性的可行性材料方面仍然面临着重要的挑战。本论文采用第一性原理计算方法研究了稀磁半导体/石墨烯异质结的载流子迁移率和居里温度。此外,还研究了具有高自旋极化率的自旋阀及其输运性质。主要内容和结果如下:1.氧化物基稀磁半导体通常表现出高于室温的铁磁性,但低载流子迁移率限制了它们在新型自旋电子学器件中的应用。本章基于第一性原理计算,研究了（V,N）共掺杂ZnO（（V,N）ZnO）体系及其复合体系（V,N）ZnO/石墨烯的迁移率、电子性质和磁性。研究结果表明:与（V,N）ZnO相比,复合体系的电子迁移率明显增加了约三倍(从500 cm2V-1s-1到1500 cm2V-1s-1)。此外,我们发现复合体系的铁磁性比单独的（V,N）共掺杂ZnO的铁磁性更加稳定。利用平均场近似理论预估得到复合体系的居里温度约为630 K,大约是（V,N）ZnO（321 K）的两倍。该研究为实验上改善氧化物基稀磁半导体的载流子迁移率和居里温度提供了有效的理论指导。2.我们设计了一种基于范德华异质结的新型CrI3/h-BN/CrI3自旋阀,利用密度泛函理论结合非平衡格林函数的计算方法研究了该体系的电输运性质,研究结果表明该体系具有很强的自旋过滤效应。对于平行结构,所加偏压值在0-0.7V范围内,自旋极化率可达到75%以上,主要过滤掉自旋向下的态;对于反平行结构,在小偏压0-0.2V范围内只有自旋向下的电流,自旋极化率将近达到100%。此外,偏压在0-1.0V范围内,体系的隧穿磁阻在偏压小于0.3V时表现为负值,大于0.3V时为正值,且在0-1.0V之间最高可达到120%左右。该研究结果为实验上利用二维磁性材料制备新型自旋阀提供了有效的理论指导。

论文目录

• 中文摘要
• ABSTRACT
• 1 绪论
•   1.1 引言
•   1.2 ZnO基稀磁半导体的研究背景
•   1.3 新型二维材料概述
•     1.3.1 石墨烯
•     1.3.2 六方氮化硼
•     1.3.3 三卤化铬
•   1.4 范德瓦尔斯异质结
•   1.5 隧穿磁电阻（TMR）
•   1.6 本论文的主要内容
• 2 理论基础和软件介绍
•   2.1 引言
•   2.2 第一性原理
•   2.3 密度泛函理论
•     2.3.1 Hohenberg-Kohn定理
•     2.3.2 KS方程（Kohn-Sham）
•   2.4 交换关联泛函
•     2.4.1 局域密度近似（LDA）
•     2.4.2 广义梯度近似（GGA）
•   2.5 赝势
•   2.6 非平衡格林函数
•     2.6.1 非平衡格林函数概述
•     2.6.2 非平衡格林函数的三大方程
•   2.7 计算的相关软件
•     2.7.1 VASP软件
•     2.7.2 NanoDcal软件
•     2.7.3 Material Studio软件
•     2.7.4 Device Studio软件
• 3 近邻效应对n-p共掺杂ZnO基稀磁半导体的载流子迁移率和居里温度的影响
•   3.1 引言
•   3.2 计算细节
•   3.3 结果与讨论
•     3.3.1 （V,N）ZnO和（V,N）ZnO/G的结构
•     3.3.2 （V,N）ZnO和（V,N）ZnO/G的载流子迁移率
•     3.3.3 （V,N）ZnO和（V,N）ZnO/G的电子结构
•     3.3.4 （V,N）ZnO和（V,N）ZnO/G的磁性和差分电荷密度
•   3.4 本章小结
• 3/h-BN/CrI₃范德瓦尔斯自旋阀的电输运性质研究'>4 基于CrI₃/h-BN/CrI₃范德瓦尔斯自旋阀的电输运性质研究
•   4.1 引言
•   4.2 计算细节
•     4.2.1 VASP软件相关参数设置
•     4.2.2 NanoDcal软件相关参数设置
• 3 能带对比'>    4.2.3 CrI₃能带对比
•     4.2.4 输运结构模型的构建
•   4.3 结果与讨论
•   4.4 本章小结
• 5 全文总结
• 参考文献
• 附录
• 在学期间的研究成果
• 致谢

文章来源

类型: 硕士论文

作者: 严志

导师: 齐世飞,许小红

关键词: 氧化物基稀磁半导体,非补偿共掺,载流子迁移率,第一性原理计算,量子输运,隧穿磁电阻,范德瓦尔斯异质结

来源: 山西师范大学

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: 山西师范大学

分类号: TB383.1;O469

DOI: 10.27287/d.cnki.gsxsu.2019.001046

总页数: 65

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