钪掺杂ZnO薄膜的电子结构与缺陷磁性的研究

论文摘要

实现室温或室温以上的半导体自旋电子学是稀磁性半导体研究发展的重要方向。此外,不含d或f壳层未填满的过渡族或稀土族磁性原子的薄膜材料中的室温铁磁性的起源问题也成为目前磁学研究的热点问题。本论文采用基于第一性原理的密度泛函理论平面波超软赝势的方法,理论上研究了5% Sc掺杂ZnO薄膜中的室温铁磁性的可能来源。对ZnO中的本征点缺陷阴离子空位VO(Zn16O15)和阳离子空位VZn(Zn15O16)、仅有Sc掺杂的ZnO(Zn15Sc1O16)、同时有Sc掺杂和VZn的ZnO(Zn14Sc1O16)的超原胞进行了自旋极化的电子结构计算,得到的计算结果为:在Zn16O15和Zn15Sc1O16体系中没有发现净磁矩,但是对于Zn15O16和Zn14Sc1O16却得到净磁矩。前者磁矩大约为1.8 uB /VZn ,后者大约为1.0 uB/VZn;对于包含两个Sc原子和一个Zn空位的2x2x4的超原胞,得到了大约0.4 uB /VZn的净磁矩,这与0.2-0.3 uB /VZn的实验值在数量级上一致;计算了Sc杂质对于ZnO中锌空位形成能的影响,结果发现Sc杂质的引入使得VZn的形成能显著的减小,降低了5.47eV左右,这说明Sc掺杂有利于Zn空位的形成;在此基础上计算了Zn14Sc1O16体系在铁磁和反铁磁状态下的结合能,发现铁磁耦合的能量比反铁磁的能量低,因而铁磁耦合状态稳定。上述结果表明: 5%Sc掺杂的ZnO薄膜的室温铁磁性来源于Sc掺杂所产生的Zn空位。

论文目录

• 第一章 绪论
• 1.1 自旋电子学（SPINTRONICS）
• 1.2 稀磁性半导体（DILUTED MAGNETIC SEMICONDUCTORS ,DMS）
• 1.3 多功能材料ZNO 薄膜性质及其应用
• 1.4 氧化锌基稀磁性半导体系统理论回顾
• 1.5 本论文的选题思路
• 第二章 基本理论
• 2.1 密度泛函理论（DFT）
• 2.1.1 Hohenberg-Kohn 定理
• 2.1.2 KOHN-SHAM方程
• 2.2 交换关联能泛函
• 2.2.1 局域密度近似（Local Density Approximation ,LDA）
• 2.2.2 广义梯度近似（Generalized Gradient Approximation,GGA）
• 2.3 常用的能带计算方法
• 2.3.1 正交平面波方法和缀加平面波方法
• 2.3.2 赝势方法（Pseudopotential Method）
• 2.3.3 超软赝势（Ultra Soft-pseudo Potential, US-PP）
• 2.4 自洽-迭代方法（SCF）
• 2.5 MATERIAL STUDIO 中的CASTEP 模块简介
• 第三章 钪掺杂的ZNO 薄膜电子结构与缺陷磁性的研究
• 3.1 引言
• 3.2 计算方法
• 3.3 结果与分析
• 3.3.1 各种体系的电子结构计算结果以及分析
• 3.3.2 对于点缺陷形成能的计算以及结果分析
• 14Sc₁O₁₆体系在铁磁和反铁磁状态下结合能的计算结果的比较'>3.3.3 Zn₁₄Sc₁O₁₆体系在铁磁和反铁磁状态下结合能的计算结果的比较
• 第四章 结论
• 参考文献
• 摘要
• ABSTRACT
• 致谢
• 导师及作者简介