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过渡金属原子掺杂氧化锌纳米管的第一性原理研究

高丹  
【摘要】:多种形态的ZnO纳米材料已经被制备完成,现在理论上已经证实,把ZnO薄片卷曲成中空的圆柱形管状结构,这样形成的单壁ZnO纳米管(ZnONTs)可以稳定存在。因此对3d过渡金属(TM)原子掺杂ZnONTs进行系统的研究,对未来纳米电子元件,光电元件和光电装置的科学应用将产生深远的意义。 本论文在广义梯度近似(GGA)下,采用基于密度泛函理论(DFT)下的投影缀加波赝势(PAW)和从头量子力学计算的Vienna ab-initio(VASP)软件包运用第一性原理的计算方法,详细地对7种不同的3d过渡金属原子分别掺杂锯齿型(10,0)和扶手椅型(6,6)单壁ZnONTs的几何结构,电子结构和磁性机制进行了分析。得出的结论如下: (1)经过优化的几何结构显示,纯净的(10,0)和(6,6)ZnONTs是一种宽禁带非磁性的半导体材料。掺杂后的ZnONTs的几何结构发生了形变,对比纯净的ZnONTs的dZn-O,由于rTMrZn(0.74A),因此dTM-odzn-O(1.905A);然而dMn-OdZn-O,这是因为虽然rMnrZn,但是Mn2+(3d5,S=5/2)离子处于高自旋态,与其最近邻的02-发生铁磁性耦合,发生排斥作用,从而使dMn-OdZn-O;TM原子与其最近邻的O原子键角的平均值均小于120°,这主要是纳米管自身的曲率效应造成的。 (2)3d TM原子掺杂的(10,0)和(6,6)ZnONTs都具有磁性,体系磁矩主要来源于掺杂的3d TM原子。从杂质原子的原子序数与(10,0)和(6,6)体系的总磁矩和杂质的磁矩相互对应的关系中,我们知道体系的总磁矩和杂质的磁矩与ZnONTs的手性无关,在相同的掺杂浓度下,只与掺杂的杂质有关。随着原子序数的增加,V和Cr原子掺杂ZnONTs的体系总磁矩依次增大,Mn原子掺杂ZnONTs的体系总磁矩达到最大值,Fe、Co、Ni和Cu原子掺杂ZnONTs的体系总磁矩再依次减小,这与洪德定则预测的磁矩变化规律相符。由于TM原子的3d轨道和其最近邻O原子的2p轨道发生的p-d杂化作用,使TM原子周围的O原子和Zn原子产生局域的磁矩,导致实际计算的体系总磁矩小于单个TM原子磁据的理论预测值。 (3)用一个3d轨道未被完全填充的TM2+离子替换一个3d轨道完全填充的Zn2+离子将改变ZnONTs的价带中上或下自旋态的数目,由于TM2+和O2-之间的p-d杂化作用,使TM2+的空余的上(下)自旋态在一定程度上被O的上(下)自旋的电子所占据,这导致与O的下(上)自旋态相比,O的被占据的上(下)自旋态变少了,周围的02-产生与μTM相反(相同)的μO具有推动作用。 (4)部分占据的TM3d和一些O2p产生p-d杂化作用,使得在费米能级处有局域的PDOS出现在上(下)自旋轨道中,而一个为零的PDOS出现在下(上)自旋轨道:这些部分填充的TM3d和一些O2p在费米能级处只在一条自旋轨道上贡献了它们的导电性。Mn、Fe、 Co、 Cu掺杂的(10,0)和(6,6)ZnONTs都具有半金属特征,掺杂体系有100%自旋极化率,这是自旋电子注入的理想条件,在自旋电子学领域将会有广阔的应用前景;V和Cr掺杂的(10,0)和(6,6)ZnONTs体系具有金属性特征和明显的磁性,而Ni掺杂的(10,0)和(6,6)ZnONTs则为磁性半导体。掺杂后体系所出现的这些性质由掺杂的TM原子决定,与ZnONTs的手性无关。 (5)体系中的载流子与局域磁矩有以下两个作用机制:一是TM原子的3d电子态由于晶体场作用劈裂成一个两重简并的eg和一个三重简并的t2g能级,由于原子内部的强交换作用,按照洪德定则进行耦合。二是TM原子的3d电子态与其最近邻的O2p态产生杂化作用,发生p-d杂化作用。


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