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金红石二氧化钛磁性和光学性质的第一性原理研究

作 者: 杨兰
导 师: 姚凯伦
学 校: 华中科技大学
专 业: 凝聚态物理
关键词: 第一性原理 密度泛函理论 共掺杂 态密度 磁性质 光学吸收
分类号: O614.411
类 型: 硕士论文
年 份: 2011年
下 载: 28次
引 用: 0次
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内容摘要


本文利用基于密度泛函理论的全势线性缀加平面波的方法,从理论上对N掺杂金红石TiO2,Co掺杂金红石TiO2,以及(N, Co)共掺杂金红石TiO2材料的磁性和光学性质进行了第一性原理的研究,对得到的理论结果进行了深入的分析与讨论。(1)对于非磁性元素N掺杂金红石TiO2,计算选择了2×1×1的超原胞,共12个原子,实现的掺杂浓度为12.5%,材料的总磁矩为0.960μB。磁性的主要来源是由杂质原子N引起的,Np电子在禁带中引入了一个杂质能级,Ns电子在价带中形成了一个深杂质能级。N原子的掺入使材料的光学吸收能力在可见光范围内有较大的增加。(2)对于磁性元素Co掺杂金红石TiO2,计算选择2×2×1的超原胞,共24个原子,实现的掺杂浓度为12.5%,计算材料的总磁矩为1.03μB。磁性的主要来源是由杂质原子Co引起的,Co的d电子的能带和总态密度费米面附近的能带非常相似。由于杂质带的引入,禁带宽度减小,光学吸收区域红移,同时光学吸收能力在可见光区域增强。(3)对于(Co, N)共掺杂金红石TiO2,计算选择2×2×1的超原胞,共24个原子,实现的N,Co的掺杂浓度分别为6.25%和12.5%,材料的总磁矩为0.916μB。计算发现杂质原子N和Co之间存在p-d杂化作用,导致能带在费米面附近出现劈裂,材料具有了类半金属的性质。掺杂之后的禁带宽度减小,但是由于杂质原子间复杂的相互作用,光学吸收的能力在可见光区域反而比单纯Co掺杂要弱。

全文目录


摘要  4-5
Abstract  5-8
1 绪论  8-15
  1.1 稀磁半导体材料简介  8-9
  1.2 二氧化钛稀磁半导体  9-14
  1.3 本文的工作和创新之处  14-15
2 计算结果分析  15-34
  2.1 计算的理论基础和软件介绍  15-16
  2.2 金红石二氧化钛的性质简介  16-18
  2.3 N 掺杂金红石二氧化钛的性质研究  18-21
  2.4 Co 掺杂金红石二氧化钛的性质研究  21-26
  2.5 (Co,N)共掺杂金红石二氧化钛的性质研究  26-34
3 全文总结  34-36
  3.1 本文的主要结论  34-35
  3.2 可以进一步研究的问题  35-36
致谢  36-37
参考文献  37-41

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中图分类: > 数理科学和化学 > 化学 > 无机化学 > 金属元素及其化合物 > 第Ⅳ族金属元素及其化合物 > 钛副族(ⅣB族金属元素) > 钛Ti
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