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掺杂与空位诱发材料磁性的第一原理研究

司明苏  
【摘要】: 近年来,由非金属轻元素构成的材料在纳米尺度下表现出来的铁磁现象引起了人们的广泛关注。若要追究这些d0元素材料的磁性成因却又是十分复杂,不同于以往材料的磁化行为,研究表明掺杂和空位的存在是使这些材料诱发磁性的主要方式。因此我们利用基于密度泛函理论的第一性原理方法对空位在类石墨型氮化硼单原子层(g-BN)及氮化硼单壁纳米管(SWNTs)中所诱发的磁性,硅原子掺杂于SWNTs所诱发的磁性以及碳纳米管连接铁的络合物进行了研究,并得到了如下创新性结论: 1、g-BN中N或B原子单空位的引入,使体系发生了自发磁化,诱发出磁矩分别为1.0μB和3.0μB;B原子单空位的存在能够使系统发生半导体向半金属型的转变。 2、g-BN中任何构型的BB双空位都使体系发生自发磁化,诱发的磁矩为单空位情况的两倍;研究的三种NN双空位中,只有第三紧邻的情况能够使系统发生自发磁化,磁矩为2.0μB;BN双空位存在不改变系统的半导体特性。 3、单空位在SWNTs的稳定构型依赖于纳米管的手性和直径,研究表明空位是磁性的,发生的对称破缺是由Jahn-Teller效应所引起的。研究的三种双空位在(5,5)BN纳米管中的性质,发现只有次紧邻的BN双空位是磁化的。 4、Si掺杂于BN纳米管能诱发系统发生自发磁化,局域对称性破缺使得Si原子向纳米管外松弛。通过对系统的自旋极化的描述,发现在Fermi面处出现了弥散的π带,认为这是由Si原子上未成对的3p电子引起的。 5、通过对纳米管连接Fe络合物的研究,发现耦合是铁磁性的,且不依赖于连接桥的类型(C或BN纳米管)和间隔原子数,在碳纳米管连接时,磁矩是非连续传递的,而在BN纳米管情况下,磁矩是无法通过纳米管进行传递。


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