磁性材料电子结构和自旋结构的第一性原理研究

论文摘要

计算机技术的快速发展，使研究真实材料（上百个原子的体系）的电子结构成为可能。而密度泛函理论给研究材料基态的物理性质提供了坚实的理论基础。因此基于密度泛函理论的第一性原理计算，就成为研究材料基态性质的强大工具。通过计算，我们不仅可以解释材料的物理性质，而且可以任意改变材料的形状或所处的环境，从而模拟不同条件下，甚至实际中很难实现的条件下材料的行为。这能为预测材料的新性能或者指导新材料的合成提供依据。本论文的目的就是用基于密度泛函理论的第一性原理计算来研究几种磁性材料的电子结构。我们研究的内容大致可以分为两部分，其一是探讨磁性材料FeS4Sb2的电子结构和磁性行为；其二是对稀磁半导体（DMS）GaAs的超元胞上掺杂过渡金属Mn的三种情况的电子结构和磁性的研究。在计算中我们采用了WIEN2K程序包。WIEN2K程序所采用的具体计算方法是全势线性缀加平面波方法，它是晶体电子结构计算中最精确的方法之一。本文中，我们利用基于密度泛函理论（DFT）的全势线性缀加平面波方法（FP-LAPW）系统的对磁性化合物FeS4Sb2的电子结构和磁性进行了研究。FeS4Sb2空间群Pnma（62号），计算表明FeS4Sb2在不同的温度下有不同的性质。当温度T=295K时，FeS4Sb2具有半金属性；而当温度T=370K时，FeS4Sb2表现出金属性。稀磁半导体（DMS）也称半磁半导体，是指由磁性过渡族金属原子或稀土金属离子部分替代非磁性阳离子后形成的一类磁性半导体材料。根据掺杂不同的过渡金属及掺杂比例的不同，DMS表现出不同的磁性。本文研究过渡金属元素Mn掺杂稀磁半导体超元胞Ga1-XMnXAs（X=0.125，0.5，0.875）中的磁性质及其电子结构。稀磁半导体的超元胞Ga1-XMnXAs的空间群为P（1号），我们的计算结果说明Ga1-XMnXAs物理性质，随着Mn掺杂浓度的增强，其金属性和磁性都相应发生了显著的变化。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 磁性的宏观特性及其分类
• 1.2 磁性的微观特性及其分类
• 1.3 铁磁体的基本理论
• 1.4 半金属铁磁体的基本理论
• 1.5 半金属铁磁体的研究进展
• 1.6 本文的工作
• 第二章 理论基础
• 2.1 密度泛函理论
• 2.1.1 Hohenberg-Kohn定理
• 2.1.2 Kohn-Sham理论
• 2.1.3 布洛赫定理
• 2.1.4 交换关联相互作用
• 2.2 全势线性缀加平面波方法
• 4Sb₂的电子结构和磁性研究'>第三章 磁性化合物FeS₄Sb₂的电子结构和磁性研究
• 4Sb₂的结构特征'>3.1 FeS₄Sb₂的结构特征
• 4Sb₂的磁学性质'>3.2 FeS₄Sb₂的磁学性质
• 3.3 小结
• 1-XMn_XAs中Mn掺杂的电子结构和磁性研究'>第四章 超元胞Ga_1-XMn_XAs中Mn掺杂的电子结构和磁性研究
• 4.1 GaAs超元胞的晶格结构及能带分析
• 4.1.1 GaAs超元胞的参数及其晶格结构
• 4.1.2 GaAs超元胞态密度,能带结构和磁性分析
• 4.2 GaAs超元胞掺杂过渡金属Mn三种情况的磁性分析
• XAs（X=0.125）的态密度,能带结构和磁性分析'>4.2.1 Ga（1-X）Mn_XAs（X=0.125）的态密度,能带结构和磁性分析
• 1-XMn_XAs（X=0.5）的态密度,能带结构和磁性分析'>4.2.2 Ga_1-XMn_XAs（X=0.5）的态密度,能带结构和磁性分析
• 1-XMn_XAs（X=0.875）的态密度,能带结构和磁性的分析'>4.2.3 Ga_1-XMn_XAs（X=0.875）的态密度,能带结构和磁性的分析
• 1-XMn_XAs掺杂的三种情况的比较'>4.2.4 Ga_1-XMn_XAs掺杂的三种情况的比较
• 4.3 小结
• 第五章 总结
• 参考文献
• 致谢
• 附录 硕士期间发表或完成的论文