氧化锌基稀磁半导体的第一性原理研究

【摘要】：稀磁半导体具有独特的自旋电子学特性和潜在的实际应用价值,受到了科技工作者的广泛关注。理论计算表明ZnO在室温下可能实现铁磁性,而且ZnO是典型的直接宽带隙半导体材料,具有高的激子束缚能,能够实现室温高紫外发光;原料丰富、价廉、环境友好。因此,ZnO基稀磁半导体成为了人们关注的焦点。 基于密度泛函的第一性原理,我们计算并分析了本征缺陷和各种杂质对ZnO基稀磁半导体的电子结构和磁性的影响,探讨了其磁性的来源和居里温度的调控方法,重点研究了不同单掺杂和共掺杂对于ZnO基稀磁半导体磁性的影响和作用机理,主要研究结论有: 通过对ZnO母体中本征缺陷的研究,发现O空位不能引起铁磁性,而Zn空位却能导致ZnO母体呈现铁磁性,且体系总磁矩主要来自于Zn空位附近自旋极化的氧原子,氧原子间的铁磁交换相互作用是通过自旋极化的Zn 3 d态进行调制的。我们还发现,在体系中用一个Li原子取代一个Zn原子能产生空穴和降低Zn空位的形成能,进而稳定了包含Zn空位的体系,产生了一个较大的总磁矩。 通过对N掺杂和Li、N共掺杂,以及Zn空位、N共掺杂ZnO体系的电子结构和磁性的研究,发现N掺杂ZnO体系倾向于铁磁基态,每个超胞具有0.95μB的总磁矩,体系总磁矩主要来自于N和O原子未配对的2p电子;通过Li或者Zn空位与N共掺杂,体系的铁磁稳定性显著增强。 通过研究Cu掺杂ZnO的电子结构和磁性,以及C和N共掺杂对Cu掺杂ZnO体系电子结构和磁性的影响,发现Cu取代Zn使体系倾向于铁磁稳定,每个超胞具有1μB的总磁矩,并且该缺陷体系表现出半金属稀磁半导体特性,其中局域在Cu原子上的磁矩约为0.58μB,其余主要来自于自旋极化的氧原子。此外,还发现随着两个Cu原子隔离距离的增加,体系铁磁稳定性降低。通过用一个N原子取代一个O原子,体系的铁磁稳定性略有增强;然而,用一个C原子取代一个O原子,体系的铁磁稳定性却被削弱了。 通过研究Cr掺杂和Cr、Al共掺杂ZnO体系的电子结构和磁性,发现Cr掺杂ZnO体系倾向于铁磁基态,每个超胞具有7.50μB的磁矩,体系磁矩主要来自于Cr原子未配对的3d电子。此外,还发现在Cr掺杂ZnO体系中,Cr原子间的铁磁交换相互作用是短程的。通过Cr、Al共掺杂,体系的铁磁稳定性显著增强。