Cr1-2@Ga12N12和Mn1-2@Zn12Te12團簇的結構和磁性理論研究.pdf_第1頁
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文檔簡介

1、由于稀磁半導體(Diluted magnetic semiconductors, DMS)[1]材料具有寬帶隙、磁性、光電學性質、半導體等特性,在自旋電子學領域表現出了非常廣闊的應用前景。因此,無論從基礎科學研究,還是應用角度講,磁性半導體材料都是一個值得深入研究的課題。
  近年來,實驗和理論科學者進行了大量有意義的探索。GaN(室溫下為3.4 eV)、ZnTe(室溫下為2.26 eV)均是一種經典的寬帶隙半導體材料,實驗上已經

2、制備出了過渡金屬摻雜 GaN、ZnTe的稀磁半導體材料,表現出室溫的鐵磁性特性。但是獲得室溫的鐵磁性的磁性機制仍需做進一步的理論研究,以揭示其磁性的物理起源,促進過渡金屬摻雜GaN、ZnTe的稀磁半導體材料在自旋電子學領域的應用研究。
  鑒于以上研究背景,過渡金屬摻雜GaN和ZnTe的磁性理論研究工作主要集中在體材料和納米線方面。團簇作為連接小分子物質和體材料的重要橋梁,且由于尺寸和量子效應,表現出一些奇異的物理化學性質,過渡金

3、屬摻雜純半導體團簇也受到了廣泛關注。鑒于Ga12N12和Zn12Te12團簇特殊的穩(wěn)定結構,我們選擇對Cr摻雜Ga12N12團簇和Mn摻雜Zn12Te12團簇進行系統(tǒng)研究,探究Cr摻雜Ga12N12團簇以及Mn摻雜Zn12Te12團簇的穩(wěn)定結構和磁性,以揭示團簇磁性的產生機制,從而更好地促進過渡金屬摻雜Ga12N12、Zn12Te12團簇在自旋電子學中的應用。本論文的主要研究內容及結論如下:
  1、Cr摻雜Ga12N12團簇的結

4、構、電子和磁性質的理論研究
  基于第一性原理密度泛函理論中的廣義梯度近似(DFT-GGA)對Ga12N12團簇摻雜一個或兩個摻雜團簇的結構、電子和磁性質進行系統(tǒng)研究。我們在取代、內嵌、加成三種不同摻雜方式的基礎上考慮了盡可能多的摻雜結構。對于單摻雜團簇來說,加成摻雜團簇是最穩(wěn)定結構,而且團簇總磁矩4μB。對于雙摻雜團簇而言,同樣最穩(wěn)定結構也是加成摻雜團簇。當Cr–Cr鍵長大于約5?時,團簇鐵磁態(tài)與反鐵磁態(tài)為簡并態(tài)。此外,在決定兩

5、個Cr原子之間的磁性耦合上,直接的Cr–Cr反鐵磁性耦合比兩個Cr原子和鄰近N原子之間通過p-d雜化產生的鐵磁性耦合更占主導作用,結果導致雙摻雜團簇趨于形成反鐵磁態(tài)。內嵌雙摻雜團簇的局域值最小,由于Cr–Cr強的相互作用致使Cr原子的局域磁矩降低為2μB。
  2、Mn摻雜Zn12Te12團簇的結構、電子和磁性質的理論研究
  基于密度泛函理論對Mn原子單摻雜和雙摻雜Zn12Te12團簇的結構、電子和磁性質進行了系統(tǒng)的研究。

6、根據取代、加成、內嵌三種不同摻雜模型,我們考慮了盡可能多的摻雜結構。在單摻雜團簇中取代摻雜團簇為最穩(wěn)定結構,團簇總磁矩為5μB。對于雙摻雜團簇最穩(wěn)定結構為內嵌摻雜團簇的鐵磁態(tài)結構。研究結果表明,團簇的總磁矩主要來源于Mn-3d態(tài)的貢獻,Mn-4s和 Mn-4p態(tài)對磁矩也做出了少量貢獻。由于軌道雜化,與Mn原子相鄰的Zn和Te原子也產生了少量的磁矩。另外,對于加成和取代雙摻雜團簇來說,Mn-Mn直接的反鐵磁耦合作用強于兩個Mn原子通過和T

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