收藏本站
《复旦大学》 2009年
收藏 | 手机打开
二维码
手机客户端打开本文

材料新颖磁机制和电子结构的第一性原理研究

朱岩  
【摘要】: 自旋电子学的应用需要高效率的自旋极化电子(自旋电流)源,像半金属CrO_2要在液氦温度下才可以产生96%的自旋极化,基于自旋霍尔效应的电流在杂质散射,通过自旋光电效应注入自旋流等方法也存在高温耗散的问题。而传统的磁性金属虽然能在室温下产生自旋极化流,但因为和半导体的能带与阻抗都不匹配,自旋流注入到半导体的过程中极容易耗散。所以人们就考虑综合半导体和磁性金属特点的稀磁半导体作为自旋注入源。ZnO掺杂Mn作为一种可能获得室温铁磁性的稀磁半导体,在实验中有着各种各样的结果,而纯粹的第一性原理计算则全都是反铁磁。(Zn,Mn)O的磁性来源和机制到底是什么?作为非铁磁化合物也可能具有磁矩的代表,CaB_6铁磁性机制一直困惑着大家,为何各种实验和理论都没能清晰地解释磁矩产生的原因?半导体工艺的主要材料硅中能否实现自旋极化?在极端条件下的稀磁半导体会有哪些性质?这些问题都非常值得进行细致地研究。 随着当代计算机技术的发展,基于第一性原理的研究已经成为凝聚态物理的重要方面。本论文即用密度泛函的第一性原理方法研究了凝聚态物理中一些体系新颖的磁性产生机制及电子结构的特征。具体内容包括ZnO体系共掺杂实现铁磁性、sp电子体系产生磁性的机制、ZnSe体系高压相变电子结构变化及C_(80)内掺稀土等元素的电子结构。论文第一章为背景介绍,第二章是理论方法和模型介绍,第三章是共掺杂引起ZnO体系铁磁性的研究,第四章是CaB_6体系磁性来源的研究,第五章是高浓度B掺杂的无定形硅磁性研究,第六章是Zn_(1-x)Mn_xSe(x=0,0.25)高压相变及其电子结构研究,第七章是内嵌富勒烯M_3N@C_(80)(M=Sc,Y,and lanthanides)电子态的研究,最后第八章给出总结和展望。每章的具体内容如下。 第一章简要介绍了稀磁半导体在自旋电子学中的重要作用,作为可能出现室温铁磁性的Mn掺杂ZnO稀磁半导体的研究进展,不含铁磁离子化合物磁性研究以及稀磁材料的高压相变及电子结构。 第二章简要介绍了密度泛函理论以及势与波函数的处理等。 第三章介绍了共掺杂引起ZnO体系铁磁性的研究。利用第一性原理计算,我们阐述了(Zn,Mn)O共参其它阳离子增强铁磁性的机制。参入的Li和Cu倾向于靠近Mn原子,并且通过RKKY以及超交换作用增加了体系的铁磁性。Li和Cu导入的空穴态是非局域态。这些分布在整个空间的非局域态是铁磁离子相互作用的媒介。共参其它离子的方法为自旋电子学中稀磁半导体的器件设置开拓了新思路。 第四章介绍了CaB_6体系磁性来源的研究。通过第一性原理计算,我们发现了硼空位和杂质的综合作用导致了CaB_6的弱铁磁性。硼空位最近邻的硼产生了很强的局域态,这些局域态刚好处于费米面之上。杂质导致CaB_6晶格畸变,并带进体系电荷,这两者使得局域态刚好穿过费米面。根据斯托纳定则,穿过费米面的局域态劈裂开来,产生了有0.8-1.2μB的磁矩。 第五章介绍了高浓度B掺杂的无定形硅磁性研究。我们用第一性原理分子动力学计算方法,首次发现了高浓度硼掺杂的无定形硅有磁矩。计算得到的15种无定形Si_(63)B_1(SiB)中,有6个结构有磁矩。其中,0.993μB磁矩的体系有最低的能量。磁矩来自于三配位的硅。这些三配位的硅都有一个悬挂键,而掺入的B带来空穴,当空穴传递到悬挂键上时,根据斯托纳定则,这个悬挂键就劈裂开来,形成磁矩。这些三配位硅上的磁矩都有50mev左右的磁化能,这样大的磁化能使得这些磁矩可以在室温下留存。 第六章介绍了Zn_(1-x)Mn_xSe(x=0,0.25)高压相变及其电子结构研究。我们用第一性原理研究了Zn_(1-x)Mn_xSe(x=0,0.25)在高压下的相变和电子结构。我们得到了Zn_(1-x)Mn_xSe从闪锌矿结构转变到氯化钠结构的相变压强,体弹性模量。这些数据和实验结果很吻合。Zn_(0.75)Mn_(0.25)Se沿着相变路径的焓低于非掺杂的ZnSe,这很好地解释了为什么Zn_(0.75)Mn_(0.25)Se有更低的相变压强。Zn 3d和Se4p之间有明显的排斥力,这种排斥力是相变的驱动力。伴随着从闪锌矿到氯化钠的结构相变,Zn_(1-x)Mn_xSe的电子结构也从半导体转变到金属。金属性来自氯化钠结构中Se离子对s电子的束缚性减弱。 第七章介绍了内嵌富勒烯M_3N@C_(80)(M=Sc,Y,and lanthanides)电子态的研究。我们用第一性原理系统研究了内嵌三族和镧系氮化物富勒烯M_3N@C_(80)。和实验光谱相吻合,大多数的M3_N@C_(80)在费米面下有4个峰的电子态。我们确定了M_3N分子的平面与C_(80)的C_5轴垂直而不是C_3轴。金属原子与N、C原子之间的电荷转移也定量地进行了分析。我们也用LSDA+U的方法研究了镧系金属f电子作为价电子的行为。 第八章对我们的研究作了总结,并对将来的一些研究作了展望。
【学位授予单位】:复旦大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2009
【分类号】:O471

免费申请
【引证文献】
中国硕士学位论文全文数据库 前1条
1 邵欣;透射阳极X射线管靶结构设计的第一原理研究[D];沈阳师范大学;2012年
【参考文献】
中国期刊全文数据库 前3条
1 王锦辉,黄润生,刘公强,都有为;钠钨青铜Na_xWO_3(x~0.88)纳米晶的机械化学法制备研究[J];功能材料;2004年01期
2 詹文山;;自旋电子学研究与进展[J];物理;2006年10期
3 沈顺清;;自旋电子学和自旋流[J];物理;2008年01期
【共引文献】
中国期刊全文数据库 前10条
1 王立惠;甘国友;孙加林;严继康;;Cr、Co、Mn磁性对ZnO压敏特性影响的机理研究[J];半导体技术;2009年06期
2 唐宁;沈波;韩奎;;Al_xGa_(1-x)N/GaN异质结构中二维电子气的自旋性质[J];微纳电子技术;2009年02期
3 宋立军;闫岩;;过渡金属掺杂ZnO基稀磁半导体的研究进展[J];长春大学学报;2010年08期
4 许磊;竺培显;李玉阁;;添加锡铋元素对铅钙电极合金性能的影响[J];材料导报;2008年S1期
5 文军;陈长乐;潘峰;吴小丽;张修兴;;掺杂ZnO薄膜的研究现状[J];材料导报;2008年S1期
6 徐明;胡志刚;吴艳南;周海平;徐禄祥;周勋;;过渡金属掺杂ZnO稀磁半导体的发光特性[J];材料导报;2010年19期
7 卡马勒.托克达尔汗;拜山.沙德克;;磁性随机存储器的研究进展[J];大学物理;2009年12期
8 于超;章新政;徐军;俞大鹏;;Cu掺杂的ZnO纳米号角的制备、表征和生长机制[J];电子显微学报;2008年01期
9 王爱玲;毋志民;王聪;赵若禺;;GaN基和LiZnAs基稀磁半导体的研究进展[J];材料导报;2013年15期
10 魏智强;张玲玲;武晓娟;吴永富;王璇;;Fe、Ni共掺杂ZnO基稀磁半导体光学性能与铁磁性研究[J];发光学报;2014年02期
中国重要会议论文全文数据库 前3条
1 楼晓波;沈鸿烈;张惠;;Mn掺杂ZnO纳米材料的制备与性能研究[A];第六届中国功能材料及其应用学术会议论文集(6)[C];2007年
2 王爱玲;毋志民;;Mn和Mn-Cd掺杂GaN物性的第一性原理研究[A];2011中国功能材料科技与产业高层论坛论文集(第三卷)[C];2011年
3 王泽松;张瑞;黄志宏;黎明;邹长伟;付德君;;钴锂共注入氧化锌薄膜的铁电铁磁性[A];中国核科学技术进展报告(第二卷)——中国核学会2011年学术年会论文集第6册(核物理分卷、计算物理分卷、粒子加速器分卷)[C];2011年
中国博士学位论文全文数据库 前10条
1 王立惠;ZnO表界面及其相关特性的第一性原理研究[D];昆明理工大学;2009年
2 黄林勇;锌基氧(硫)化锌微纳米结构的合成、表征、光电性质及生长机理研究[D];山东大学;2010年
3 刘云燕;ZnO薄膜的表面形貌与应力特性研究[D];山东师范大学;2011年
4 金云霞;Cu/Ag掺杂氧化锌纳米材料的制备与高压物性研究[D];吉林大学;2011年
5 胡安正;一维ZnO、TiO_2纳米阵列制备、修饰及其性能研究[D];华中师范大学;2011年
6 刘洋;过渡元素掺杂ZnO稀磁半导体的制备及性质研究[D];江苏大学;2011年
7 肖宗湖;ZnO材料的制备和GaN基LED器件的研究[D];南昌大学;2011年
8 冯磊;几类Ti_2基半金属材料的物性研究[D];河北工业大学;2011年
9 程鹏;拓扑绝缘体表面态的STM研究[D];清华大学;2010年
10 徐海阳;掺杂ZnO薄膜及ZnO基异质结发光器件研究[D];中国科学院研究生院(长春光学精密机械与物理研究所);2006年
中国硕士学位论文全文数据库 前10条
1 董淑英;新型纳米ZnO的制备、表征及其光催化性能研究[D];河南师范大学;2010年
2 魏琳;氧化锌纳米阵列的可控生长与性质研究[D];山东大学;2010年
3 陈黎暄;有机磁阻效应的探索[D];北京交通大学;2011年
4 胡岗;Mo掺杂In_2O_3薄膜的电磁性能研究[D];武汉理工大学;2011年
5 刘雪珍;Co掺杂ZnO稀磁半导体的微观结构、光学及磁学性质[D];大连理工大学;2011年
6 王瑞琴;非磁性半导体多层结构中的自旋极化隧穿研究[D];内蒙古大学;2011年
7 李文清;ZnO基稀磁半导体高温铁磁性及其缺陷调控机理[D];湘潭大学;2011年
8 魏轶博;钙钛矿型氧化物Nd_0.5Sr_0.5Mn_O.3及其掺杂体系结构和性能研究[D];南京航空航天大学;2010年
9 马国强;ZnO和ZnS基半金属铁磁体的第一性原理研究[D];华中科技大学;2011年
10 杨兰;金红石二氧化钛磁性和光学性质的第一性原理研究[D];华中科技大学;2011年
【同被引文献】
中国期刊全文数据库 前10条
1 李志;;在ICT扫描中X射线辐射场均匀性的理论计算[J];安庆师范学院学报(自然科学版);2006年01期
2 黄素芳;;自洽场分子轨道理论[J];重庆科技学院学报(自然科学版);2010年03期
3 黄正国;徐梅芳;;对单电子近似方法的介绍[J];大学化学;2008年01期
4 吴健;;Materials Studio在结构化学教学中的一些应用[J];高校实验室工作研究;2007年03期
5 李志;在CT扫描中X射线辐射场均匀性的理论计算[J];杭州师范学院学报(自然科学版);2005年05期
6 李震宇,贺伟,杨金龙;密度泛函理论及其数值方法新进展[J];化学进展;2005年02期
7 熊志华,孙振辉,雷敏生;基于密度泛函理论的第一性原理赝势法[J];江西科学;2005年01期
8 黎亚平,吴丽萍,谢万,于国梁;X射线质量吸收系数测量中一些问题的研究[J];四川大学学报(自然科学版);2005年02期
9 徐志广;;Materials Studio软件在材料化学专业课程中的应用[J];数理医药学杂志;2011年03期
10 庄昌清;岳红;张慧军;;分子模拟方法及模拟软件Materials Studio在高分子材料中的应用[J];塑料;2010年04期
中国博士学位论文全文数据库 前7条
1 程志达;镍和铁纳米材料磁性的第一性原理计算及微磁学研究[D];清华大学;2010年
2 张文华;若干表面体系的第一性原理研究[D];中国科学技术大学;2008年
3 胡振芃;基于第一性原理计算的STM相关问题研究[D];中国科学技术大学;2008年
4 梁培;掺杂ZnO稀磁半导体磁性的第一性原理计算[D];华中科技大学;2009年
5 姚强;若干新材料相稳定性及力学性能的第一性原理研究[D];上海交通大学;2008年
6 张伟伟;基于第一性原理和量子动力学研究有机体系中电子转移过程[D];中国科学技术大学;2010年
7 董传鼎;钴团簇,金团簇和硅纳米线的第一性原理研究[D];复旦大学;2010年
中国硕士学位论文全文数据库 前10条
1 吴昊;X射线管振动信号采集系统与分析方法研究[D];中国人民解放军军医进修学院;2011年
2 潘洪哲;β相氮化硅材料的第一性原理研究[D];四川师范大学;2006年
3 张海东;Ni_n(n=1~13)团簇的第一性原理研究[D];南京师范大学;2006年
4 苗仁德;BaVS_3材料的第一性原理研究[D];南京师范大学;2007年
5 丁迎春;γ-Si_3N_4材料第一性原理研究[D];四川师范大学;2007年
6 李丹;EDiX-Ⅲ型X光管在能量色散X荧光分析中的应用研究[D];成都理工大学;2008年
7 李章伟;B2结构金属间化合物力学性质的第一性原理研究[D];首都师范大学;2008年
8 田苗;过渡族硫化物系列材料的第一性原理研究[D];南京师范大学;2008年
9 朱晓玲;超硬材料PtN_2和ReB_2力学性质的第一性原理计算[D];四川师范大学;2009年
10 王攀;X射线空气比释动能基准辐射场的研究[D];成都理工大学;2010年
【二级引证文献】
中国硕士学位论文全文数据库 前1条
1 关乃杰;能量色散X射线荧光光谱仪及铁磁性材料元素含量的测定[D];沈阳师范大学;2013年
【二级参考文献】
中国期刊全文数据库 前1条
1 邢定钰;自旋输运和巨磁电阻——自旋电子学的物理基础之一[J];物理;2005年05期
【相似文献】
中国期刊全文数据库 前10条
1 闫万珺;谢泉;朱林山;金石声;;固体能带计算方法[J];贵州大学学报(自然科学版);2006年01期
2 毛宏颖;胡昉;吴太权;鲍世宁;;利用紫外光电子谱和第一性原理确定四苯基卟啉的结构与电子态[J];真空科学与技术学报;2007年05期
3 程正则;蒋逢春;;SrBi_2Ta_2O_9铁电相光学特性的第一性原理研究[J];山西大学学报(自然科学版);2007年04期
4 王舒东;赵国军;K.Akai;M.Matsuura;;Na_xCoO_2热电性质的第一性原理研究(英文)[J];内蒙古大学学报(自然科学版);2008年02期
5 吴玉喜;李腾;胡智向;;应力对Co掺杂ZnO光学性质的影响[J];徐州工程学院学报;2008年04期
6 张敏妍;张建民;;金属Pt三个低指数晶面的表面能和弛豫第一性原理研究[J];陕西师范大学学报(自然科学版);2009年04期
7 陈国栋;王六定;安博;杨敏;;碳掺杂硼氮纳米管电子场发射的第一性原理研究[J];物理学报;2009年S1期
8 牛丽;朱嘉琦;高巍;杜善义;;非晶碳薄膜振动拉曼光谱的第一性原理研究[J];光谱学与光谱分析;2009年09期
9 李巧芬;屠彦;于金;;第一性原理研究PDP放电单元MgO保护层各种空缺对二次电子发射系数的影响[J];真空科学与技术学报;2009年06期
10 陈青云;孟川民;卢铁城;徐明;胡又文;;中子嬗变掺杂前后Ge纳米晶的结构和性质[J];物理学报;2010年09期
中国重要会议论文全文数据库 前10条
1 欧阳楚英;施思齐;王兆翔;李泓;黄学杰;陈立泉;;Cr掺杂的LiFePO_4正极材料:第一性原理研究和蒙特卡罗模拟[A];第十二届中国固态离子学学术会议论文集[C];2004年
2 潘红亮;王月花;;铁酸铋光学特性的第一性原理研究[A];《硅酸盐学报》创刊50周年暨中国硅酸盐学会2007年学术年会论文摘要集[C];2007年
3 胡春丽;章永凡;李俊篯;;GaN(0001)表面吸附O_2的第一性原理研究[A];中国化学会第九届全国量子化学学术会议暨庆祝徐光宪教授从教六十年论文摘要集[C];2005年
4 曾凡林;孙毅;;PVDF单链拉伸的第一性原理模拟[A];第七届海峡两岸工程力学研讨会论文摘要集[C];2011年
5 陈军;;加载条件下复杂结构材料的动力学行为的第一性原理研究[A];第八届全国爆炸力学学术会议论文集[C];2007年
6 王学业;罗本华;;第一性原理研究Bi掺杂六方相SrMnO_3的结构、电子和磁性质[A];中国化学会第28届学术年会第13分会场摘要集[C];2012年
7 孙弘;张翼;潘梓城;;轻元素超硬材料的第一性原理计算研究[A];2004年中国材料研讨会论文摘要集[C];2004年
8 杨磊;方源达;宋丹丹;刘临利;郑全超;;稀土金属掺杂ZnO磁学和光学性质的第一性原理研究[A];第七届中国功能材料及其应用学术会议论文集(第2分册)[C];2010年
9 章永凡;邢伯蕾;秦改萍;李俊篯;;氧分子在VC(001)面解离过程的第一性原理研究[A];中国化学会第九届全国量子化学学术会议暨庆祝徐光宪教授从教六十年论文摘要集[C];2005年
10 盖艳琴;姚斌;范希武;;表面水吸附对p型ZnO电学性质影响的第一性原理研究[A];第11届全国发光学学术会议论文摘要集[C];2007年
中国重要报纸全文数据库 前3条
1 崔凤山 记者 姜雪松;市自然科学技术成果奖揭晓[N];哈尔滨日报;2009年
2 陈丹;普通材料可“拉伸”成新型磁性铁电体[N];科技日报;2010年
3 记者 李大庆 通讯员 贾宝余;我科学家提出元素碳的一种新结构[N];科技日报;2011年
中国博士学位论文全文数据库 前10条
1 谢禹;简单金属元素及其金属间化合物高压物理性质的第一性原理研究[D];吉林大学;2010年
2 付强;若干表面体系反应及动力学行为的第一性原理研究[D];中国科学技术大学;2010年
3 陈伟;过渡金属氮化物和硼化物的第一性原理研究[D];浙江大学;2010年
4 饶建平;金属Nb及其空位与H的相互作用的第一性原理研究[D];南昌大学;2011年
5 张云丽;铁砷基超导体及稀磁半导体Sn_(1-x)Zn_xO_2的第一性原理研究[D];浙江大学;2013年
6 许勤芳;几种钙钛矿氧化物异质界面电子结构与磁性质的第一性原理研究[D];南京大学;2013年
7 唐建平;第一性原理研究CdS和ZnS中的d~0铁磁性[D];湖南大学;2014年
8 张玉娟;温稠密乙烷等流体物性的第一性原理分子动力学研究[D];中国工程物理研究院;2013年
9 姚强;若干新材料相稳定性及力学性能的第一性原理研究[D];上海交通大学;2008年
10 赵广辉;层状类钙钛矿结构有机—无机杂合物电子结构的第一性原理研究[D];武汉理工大学;2012年
中国硕士学位论文全文数据库 前10条
1 吴晓;高压下AlH_3相变的第一性原理研究[D];华东师范大学;2010年
2 刘小村;8-羟基喹啉铝及其衍生物的第一性原理研究[D];山东建筑大学;2011年
3 何开华;典型半导体材料的第一性原理研究[D];四川师范大学;2005年
4 李河;ZnO电子结构与基本属性的第一性原理研究[D];武汉理工大学;2010年
5 刘长明;双钙钛结构材料Ba_2FeReO_6的第一性原理研究[D];浙江大学;2011年
6 周德志;N型ZnO高温电极制备及NaCo_2O_4第一性原理分析[D];广东工业大学;2011年
7 杨琴;Cu掺杂GaN基稀磁半导体的第一性原理研究[D];华东师范大学;2011年
8 刘鑫;金属氟化物相变机制的第一性原理研究以及高压结构预测[D];吉林大学;2010年
9 张海东;Ni_n(n=1~13)团簇的第一性原理研究[D];南京师范大学;2006年
10 冯桂英;硼掺杂对β-SiC光学性质的影响[D];燕山大学;2010年
 快捷付款方式  订购知网充值卡  订购热线  帮助中心
  • 400-819-9993
  • 010-62791813
  • 010-62985026