过渡金属掺杂LiZnN基稀磁半导体铁磁稳定性研究

论文摘要

近年来,稀磁半导体因其在自旋电子器件领域中的广泛应用而受到关注。新型稀磁半导体突破了传统稀磁半导体自旋和电荷“捆绑”效应的束缚,为稀磁半导体的研究提供了新的思路。本论文在第一性原理基础上,系统分析了过渡金属元素种类、载流子类型、掺杂浓度、掺杂位置等对LiZnN基新型稀磁半导体电子结构和磁性的影响,并研究了 Li（Zn,TM）N新型稀磁半导体的铁磁性起源。本论文主要工作内容及结果总结如下:（1）分别研究了不同过渡金属（TM=V、Cr、Mn、Fe、Co、Ni）掺杂LiZnN体系和TM/Li共掺杂LiZnN体系的电子结构和磁性。结果表明,对于TM掺杂LiZnN体系,V、Co、Ni掺杂LiZnN体系显示铁磁性稳定,而Cr、Mn、Fe掺杂LiZnN体系则表现为反铁磁性稳定。Li间隙原子的引入改变了 TM掺杂LiZnN体系的磁性。在TM/Li共掺杂LiZnN体系中,Cr/Li、Fe/Li、Co/Li共掺杂LiZnN体系为反铁磁性稳定,而V/Li、Mn/Li、Ni/Li共掺杂LiZnN体系的铁磁态为稳定基态。TM原子与N原子杂化耦合作用导致TM掺杂LiZnN体系和TM/Li共掺杂LiZnN体系产生铁磁性。TM/Li共掺杂LiZnN体系的稳定性高于TM掺杂LiZnN体系。（2）不同类型载流子调控Li（Zn,Mn）N体系的研究结果表明,Al3+、La3+、Ca2+、Sr2+、Ba2+、Li+、Na+、K+的引入更易取代体系中的Zn2+离子。引入三价阳离子（A13+、La3+）形成n型半导体材料,（Li,La）（Zn,Mn）N和Li（Zn,Mn,A1）N体系为反铁磁态稳定;相反,（Li,Al）（Zn,Mn）N和Li（Zn,Mn,La）N体系的稳定基态为铁磁态。对于二价阳离子Ca2+、Sr2+、Ba2+掺杂Li（Zn,Mn）N体系均为反铁磁结构,掺杂离子Ca2+替换Zn2+离子提高了 Li（Zn,Mn）N体系的结构稳定性。Li缺陷的引入增加了 Li（Zn,Mn）N体系的稳定性。对于n型半导体材料,Na间隙引入后Li（Zn,Mn）N体系表现为反铁磁性稳定,K间隙引入后Li（Zn,Mn）N体系为铁磁性稳定;对于p型半导体材料,Li（Zn,Mn,Na）N具有铁磁稳定结构,Li（Zn,Mn,K）N为反铁磁性稳定。（3）Li、Mn浓度的变化导致Li（Zn,Mn）N体系的电子结构和磁性发生改变。Li（Zn,Mn）N体系的结构稳定性随着Li、Mn浓度的升高而逐渐增强。体系中仅存在Mn掺杂时,不同Mn掺杂浓度下Li16（Zn16-xMnx）N16（x=1-8）体系均表现为反铁磁性稳定。当Li 间隙缺陷和 Mn 掺杂浓度分别为 6.25 at.%和 12.50 at.%时,Li17（Zn16-xMnx）N16（x=1-8）体系的稳定性从反铁磁性转变为铁磁性。（4）分别对Mn掺杂LiZnN体系和Mn/Li共掺杂LiZnN体系的电子结构和磁性进行了系统研究,分析对比了六种不同Mn-Mn原子对的掺杂位置组态。结果表明,Mn掺杂LiZnN体系和Mn/Li共掺杂LiZnN体系磁性不同,Mn掺杂LiZnN体系为反铁磁性稳定。由于Li间隙原子的加入,导致Mn/Li共掺杂LiZnN体系由反铁磁性稳定转变为铁磁性稳定。在Li（Zn,Mn）N体系中,中间媒介N原子与相邻两个Mn原子之间形成Mn-N-Mn链,电子相互转移,Mn-Mn原子对之间铁磁耦合作用导致Li（Zn,Mn）N体系产生铁磁性。

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 巨磁电阻
•     1.2.2 隧道磁电阻
•     1.2.3 半导体自旋电子
•   1.3 磁性半导体
•   1.4 稀磁半导体的磁性机理
•     1.4.1 RKKY理论
•     1.4.2 Zener-RKKY理论
•     1.4.3 载流子调节的双交换理论
•     1.4.4 直接交换作用
•   1.5 新型稀磁半导体
•     1.5.1 “111”型稀磁半导体
•     1.5.2 其它构型的稀磁半导体
•   1.6 LiZnN基稀磁半导体
•   1.7 本论文的主要研究思路
• 第二章 理论基础和计算方法
•   2.1 绝热近似（Born-Oppenheimer近似）
•   2.2 单电子近似（Hatree-Fock近似）
•   2.3 密度泛函理论
•     2.3.1 Thomas-Fermi模型
•     2.3.2 Hohenberg-Kohn定理
•     2.3.3 Kohn-Sham方程
•   2.4 交换相关泛函
•     2.4.1 局域密度近似（Local density approximation, LDA）
•     2.4.2 广义梯度近似（Generalised Gradient Approximation, GGA）
•   2.5 CASTEP计算软件
•   2.6 本论文的理论计算方法
• 第三章 过渡金属和Li共掺杂LiZnN体系的电子结构和磁性研究
•   3.1 过渡金属掺杂LiZnN体系的电子结构和磁性研究
•     3.1.1 理论计算模型
•     3.1.2 计算结果和讨论
•   3.2 过渡金属和Li共掺杂LiZnN体系的电子结构和磁性研究
•     3.2.1 理论计算模型
•     3.2.2 计算结果和讨论
•   3.3 本章小结
• 第四章 不同载流子类型调节Li（Zn,Mn）N体系电子结构和磁性研究
•   4.1 Al、La掺杂Li（Zn,Mn）N体系的电子结构和磁性研究
•     4.1.1 理论计算模型
•     4.1.2 计算结果和讨论
•   4.2 Ca、Sr、Ba掺杂Li（Zn,Mn）N体系的电子结构和磁性研究
•     4.2.1 理论计算模型
•     4.2.2 计算结果和讨论
•   4.3 Li、Na、K掺杂Li（Zn,Mn）N体系的电子结构和磁性研究
•     4.3.1 理论计算模型
•     4.3.2 计算结果和讨论
•   4.4 本章小结
• 第五章 Li、Mn浓度对Li（Zn,Mn）N体系电子结构和磁性的影响
• 16+y(Zn_16-xMn_x)N₁₆体系磁性的调控'>  5.1 Li浓度对Li_16+y(Zn_16-xMn_x)N₁₆体系磁性的调控
•     5.1.1 理论计算模型
•     5.1.2 计算结果和讨论
• 16(Zn_16-xMn_x)N₁₆体系磁性的调控'>  5.2 Mn浓度对Li₁₆(Zn_16-xMn_x)N₁₆体系磁性的调控
•     5.2.1 理论计算模型
•     5.2.2 计算结果和讨论
• 17(Zn_16-xMn_x)N₁₆体系磁性的调控'>  5.3 Mn浓度对Li₁₇(Zn_16-xMn_x)N₁₆体系磁性的调控
•     5.3.1 理论计算模型
•     5.3.2 计算结果和讨论
•   5.4 本章小结
• 第六章 掺杂位置对Li（Zn,Mn）N体系的电子结构和磁性影响
•   6.1 掺杂位置对Mn掺杂LiZnN体系的电子结构和磁性影响
•     6.1.1 理论计算模型
•     6.1.2 计算结果和讨论
•   6.2 掺杂位置对Mn/Li共掺杂LiZnN体系的电子结构和磁性影响
•     6.2.1 理论计算模型
•     6.2.2 计算结果和讨论
•   6.3 本章小结
• 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: 崔岩

导师: 张志华

关键词: 第一性原理,稀磁半导体,铁磁稳定性

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.2019.000005

总页数: 147

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