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ZnO基稀磁半导体高温铁磁性及其缺陷调控机理

作　者: 李文清
导　师: 丁建文
学　校: 湘潭大学
专　业: 凝聚态物理
关键词: 稀磁半导体铁磁性 ZnO 密度泛函理论
分类号: O472.5
类　型: 硕士论文
年　份: 2011年
下　载: 41次
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内容摘要

随着自旋电子学的发展,稀磁半导体由于兼容传统半导体以及具备同时操纵电荷和自旋的可能性,受到了各国科学家的广泛关注。目前,典型的稀磁半导体(例如:过渡金属元素Mn掺杂的GaAs/InAs)具有很低的铁磁居里温度(Tc﹤172K)。因此,在实现广泛应用的过程中遇到的最大难题是如何有效的从本质上提高稀磁半导体的铁磁居里温度(Tc)。有趣的是,在基于ZnO的稀磁半导体中理论预测了其存在室温铁磁性的可能性。这导致了近年来人们对ZnO基稀磁半导体的大量探索。本文通过基于密度泛函理论的第一性原理计算方法详细研究了在杂质Cu和Ni共掺杂的ZnO半导体中铁磁性调制机理以及在非磁性元素C掺杂的ZnO半导体(ZnO:C)中磁性变化机理。其主要内容包括:首先详细研究了杂质Cu对Ni掺杂的ZnO体系(ZnO:Ni)铁磁性的调制机理。研究结果表明:在Cu掺杂的ZnO:Ni体系中,杂质Cu对Ni-Ni磁性相互作用具有一个远程的调制作用并且能显著地增强体系的铁磁稳定性。这样的调制对于提高ZnO基稀磁半导体的铁磁居里温度是非常有益的。进一步的分析表明Cu在ZnO:Ni中诱导的磁矩对于铁磁稳定性的提高是必不可少的。自旋极化的Cu杂质类似于一个新增的通道有效地促进了Ni杂质之间自旋极化的渗透。因此,与ZnO:Ni体系相比,Cu和Ni共掺杂的ZnO半导体具有了更强的铁磁稳定性。其次研究了在非磁性元素C掺杂的ZnO半导体中由附加缺陷所导致的磁性变化机理。作为例子,我们主要探讨了空位缺陷对于ZnO:C磁性的影响。研究表明:Zn空位的存在明显地增加了C所导致的磁矩,然而O空位的存在能够抑制这个磁矩。这些磁矩的变化可以归咎于在C和空位之间的电荷转移以及他们之间的磁性相互作用。这个结果很好的解释了在试验中所观测到的变化的C磁矩(1.3μB-3.0μB)。为了能精确地调控ZnO:C的铁磁性,我们进一步考虑了替位缺陷Li和Al调制的作用。研究表明:少量的杂质Al能进一步稳定ZnO:C铁磁性。相反,杂质Li的出现使得ZnO:C的铁磁性消失了。因此,在ZnO:C系统中磁性对实验条件的这种敏感性能够被用于获得理想的ZnO基稀磁半导体。

全文目录

摘要  4-5
Abstract  5-7
第1章绪论  7-15
  1.1 引言  7-8
  1.2 稀磁半导体磁性理论  8
  1.3 稀磁半导体的试验研究概况  8-12
    1.3.1 磁性3d 元素掺杂的ZnO  9-11
    1.3.2 sp 元素掺杂或具有空位缺陷的ZnO  11-12
  1.4 稀磁半导体的理论研究概况  12-13
    1.4.1 平均场齐纳模型  12
    1.4.2 束缚磁极化子模型  12-13
    1.4.3 基于第一性原理计算的能带模型  13
  1.5 选题背景与所做的工作  13-15
第2章理论研究方法  15-21
  2.1 单电子近似  15-17
  2.2 密度泛函理论(Density Functional Theory,DFT)简介  17-19
  2.3 赝势(Pseudopotential)方法  19-21
第3章 Ni掺杂ZnO半导体的铁磁性及其非磁性Cu掺杂调制作用  21-27
  3.1 计算方法  21-22
  3.2 结果与讨论  22-26
    3.2.1 Cu 和Ni 共掺ZnO 的铁磁性  22-25
    3.2.2 Cu 和Ni 共掺ZnO 的电子结构  25-26
  3.3 小结  26-27
第4章 C掺杂ZnO半导体的铁磁性及其空位和掺杂调制效应  27-34
  4.1 计算方法与模型  27-28
  4.2 结果与讨论  28-33
    4.2.1 空位调制下C 的磁矩变化及C 磁矩变化的机制  28-31
    4.2.2 替位杂质Li 和Al 调制ZnO:C 的磁性  31-33
  4.3 小结  33-34
第5章总结与展望  34-36
  5.1 工作总结  34
  5.2 工作展望  34-36
参考文献  36-41
致谢  41-42
附录：攻读硕士学位期间发表的论文  42

ZnO基稀磁半导体高温铁磁性及其缺陷调控机理

内容摘要

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