ZnO基稀磁半導體第一性原理計算與蒙特卡洛模擬研究.pdf

1、半導體自旋電子學不僅利用電子電荷自由度而且也充分利用電子自旋自由度，為開發(fā)新的電子器件提供有效途徑。隨著科技的發(fā)展，人們對信息的處理、傳輸和存儲的要求越來越高，由于傳統(tǒng)的半導體器件只是利用了電子電荷自由度，而忽略電子自旋自由度，這就需要一種新型器件把這兩種自由度在同一種材料中結合起來，以滿足人們的需求，因此隨之產(chǎn)生了自旋電子器件。而稀磁半導體同時具有電子電荷和自旋兩種自由度，成為自旋電子器件的設計和制備的關鍵。由于以往制備出的的稀磁半導

2、體居里溫度偏低，從而阻礙了它在實際中的應用。人們有必要找出具有高于室溫的居里溫度的稀磁半導體，以便應用于實際。由于科學家通過理論計算預測了GaN和ZnO可能是在室溫或更高的溫度下能夠?qū)崿F(xiàn)由載流子引起鐵磁性的材料，從而引起人們的關注，尤其是ZnO基稀磁半導體，目前更是成為材料學的研究熱點之一。ZnO作為寬禁帶半導體材料，具有很高的激子束縛能，能夠?qū)崿F(xiàn)室溫高紫外發(fā)光，而且原料廉價、無毒性，是理論研究和實驗觀測的首選材料。理論上，可以通過基于

3、密度泛函理論的第一性原理計算各種新材料的物理化學性質(zhì)，并結合蒙特卡洛模擬出材料的居里溫度，兩種方法的結合成為凝聚態(tài)物理研究的重要手段。 本論文主要利用第一性原理計算方法結合蒙特卡洛模擬研究ZnO基稀磁半導體的電子結構和磁性。論文首先闡述了非磁性金屬Cu摻雜ZnO稀磁半導體的電子結構，磁性耦合和居里溫度。之后結合磁性金屬Co摻雜ZnO，研究這兩種稀磁半導體的電子轉(zhuǎn)移特性，通過平面磁矩分布討論其磁性耦合機制。接著進一步研究了非磁性非

4、金屬原子C代替兩個O原子在ZnO中的位置得到稀磁半導體的電子結構、居里溫度、平面磁矩分布以及電子轉(zhuǎn)移特性，從而闡述體系磁性來源與磁耦合機制。最后，文中結合Al和s摻雜ZnO材料有電子轉(zhuǎn)移但沒有局域磁矩的性質(zhì)，進一步探討稀磁半導體的磁性來源與磁耦合機制。論文的內(nèi)容具體安排如下： 第一部分：在緒論中首先介紹了半導體自旋電子學的發(fā)展過程，分類以及其應用。其中稀磁半導體被認為是最受矚目的，最有希望實現(xiàn)的自旋電子學應用的材料。這個部分介紹

5、了目前國內(nèi)外對稀磁半導體研究進展，包括稀磁半導體的室溫鐵磁性研究，以及磁性來源研究，并說明目前研究過程中遇到一些問題以及解決的方法。 第二部分：介紹本論文涉及到的兩種理論方法--第一性原理計算和蒙特卡洛模擬。包括：(1)第一性原理計算的理論基礎與實現(xiàn)方法：密度泛函理論、絕熱近似、密度泛函理論、局域密度近似、廣義梯度近似；第一性原理計算程序包VASP以及利用VASP程序計算過程；(2)蒙特卡洛模擬的思想與步驟，以及在本論文中具體使

6、用的原理方法，模擬過程；(3)在模擬計算中涉及一些常見的物理參量，如交換相互作用，鐵磁性和反鐵磁性。 第三部分：第一性原理計算是獲得稀磁半導體中磁性摻雜原子的微觀磁交換耦合強度的有效途徑。利用第一性原理計算并結合蒙特卡洛研究可以得到與實驗結果可比較的居里溫度。這兩種方法的結合，使我們可以從微觀上的磁相互作用到宏觀的磁特性研究Cu摻雜ZnO稀磁半導體的磁性。首先利用第一性原理計算得到Cu摻雜ZnO的電子結構，發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)具有半金屬的電

7、子結構和穩(wěn)定的鐵磁基態(tài)，體系的磁性來源于Cu-3d和O-2p電子之間的雜化作用。然后結合蒙特卡洛模擬得到Zn1-xCuxO(x=5.55％，8.33％，12.5％)居里溫度分別為140，480，530 K。發(fā)現(xiàn)在高濃度摻雜下的居里溫度已經(jīng)超過室溫，該材料有望在自旋電子學中得到應用。同時，通過第一性原理計算得到了兩種稀磁半導體一Zn1-xCuxO與Zn1-xCoxO的電子轉(zhuǎn)移，以及s，p，d軌道上自旋電子數(shù)差值。計算結果表明電子轉(zhuǎn)移和局域

8、磁矩是產(chǎn)生鐵磁性的兩個基本條件。從計算結果，發(fā)現(xiàn)Co或者Cu摻雜ZnO稀磁半導體的磁性耦合是RKKY耦合。 第四部分：利用非金屬元素C代替ZnO中的O原子得到的稀磁半導體可以避免由于磁性摻雜引起的磁性團簇或第二相問題，對于研究稀磁半導體的磁性來源和磁耦合機制變得簡單。該部分利用第一性原理計算結合蒙特卡洛模擬研究ZnO1-xCx(x=5.55％，8.33％，12.5％)電子結構，發(fā)現(xiàn)具有半金屬特性，并且得到居里轉(zhuǎn)變溫度分別為210

9、，260，690 K，在較高濃度的摻雜下超出室溫。然后通過研究各個原子之間的電子轉(zhuǎn)移以及s，p，d軌道上自旋向上與自旋向下電子數(shù)之差，發(fā)現(xiàn)ZnO1-xCx的局域磁矩主要來源于Zn-3d電子和C-2p電子之間的相互作用，而局域磁矩間的耦合傾向于RKKY耦合。 第五部分：利用第一性原理計算了Al和S摻雜ZnO稀磁半導體的電子結構。發(fā)現(xiàn)Al與S摻雜ZnO沒有磁性，但存在較明顯的電子轉(zhuǎn)移。通過第一性原理計算出Zn、O以及摻雜物(A1和S

10、)之間的電子轉(zhuǎn)移數(shù)目，發(fā)現(xiàn)電子轉(zhuǎn)移不僅存在于近鄰原子之間，也存在遠距離原子之間，說明存在巡游電子。并且通過計算這些原子在s，p，d軌道上自旋向上電子和自旋向下電子數(shù)目之差，△s，△p，△d，得到體系不存在局域磁矩。 第六部分：總結了本論文所做的工作，得到三種ZnO基稀磁半導體具有半金屬電子結構，在室溫下呈現(xiàn)出穩(wěn)定的鐵磁基態(tài)。通過態(tài)密度圖與電子轉(zhuǎn)移圖分析，得到稀磁半導體的磁性來源為p-d電子之間的雜化作用，磁耦合機制為遠程RKKY