稀磁氧化物半导体的几何和电子结构研究

论文摘要

稀磁半导体研究是自旋电子学中的一个重要研究领域,当前研究主要集中在高居里温度的稀磁氧化物和氮化物材料上,其室温铁磁性的来源是争论的焦点,探索该类系统与磁性有关的微结构是解释其磁性机制的关键。本论文简要回顾了自旋电子学、稀磁半导体以及稀磁氧化物的研究历史和现状;详细阐述了原子模拟方法、密度泛函理论以及电子结构计算方法?离散变分方法和ADF。我们首先利用原子模拟方法系统研究了Co掺杂TiO2和Fe掺杂SnO2系统中三类典型中性缺陷团簇的局域构型和分布特性,并考察了二维表面相下缺陷团簇的偏析情况;最后我们采用基于密度泛函的第一性原理电子结构计算方法研究分析了纳晶稀磁氧化物的电子结构和磁性。我们的研究表明,三种缺陷团簇[ C oT ’’ iVO?? ]×、[ C oT ’ i CoT’iCoi?? ]×和[ C oT ’ i CoT’iVO?? ]×在TiO2锐钛矿和金红石相中,大多喜欢不均匀的分布,这与实验上经常观测到的Co富集现象是吻合的;同时我们发现氧空位更喜欢靠近Co离子,这与第一性原理计算的结果是一致的。在TiO2二维表面相研究中,我们发现锐钛矿TiO2（011）面和金红石（110）面是最稳定的,与前人的DFT计算结果相一致,而且金红石（110）面的原子驰豫计算结果与实验测量非常吻合;不同Co掺杂缺陷团簇在不同表面的偏析能力差别很大:锐钛矿（001）和（100）面的[ C oT ’ i CoT’iCoi?? ]×有很大的偏析能:1.77eV, 3.23eV; [C oT ’’ iVO?? ]×和[C oT ’ i CoT’iVO?? ]×在（001）面的偏析能分别为0.49eV,0.33eV,这解释了实验中发现的Co偏析现象;金红石相TiO2（110）表面的[ C oT ’’ iVO?? ]×偏析能很小,与Park等人实验观测相符。对于Fe掺杂SnO2体系,计算结果表明,[ Fe S’ n FeS’nVO?? ]×缺陷团簇喜欢非均匀的（4×4×1）和（4×2×1）分布,它们是孤立的顺磁中心来源;而较均匀的（2×2×2）、（2×2×4）和（3×3×3）分布则易形成磁有序结构,这解释了Fe3+离子顺磁结构（76%）和铁磁有序结构（24%）共存的实验现象。金红石SnO2纯净表面中,最稳定的为（110）面。（101）和（110）面的[ Fe S’’ nVO?? ]×偏析能力较强,而三价Fe离子缺陷团簇[ Fe S’ n FeS’nVO?? ]×偏析能力较弱,更易存在于体内。最后我们研究了过渡金属掺杂锐钛矿TiO2纳晶结构特性,团簇的总磁矩与氧原子的化学配比有着非常重要的关系。纳晶团簇TM:Ti8O38 （TM=Fe, Co, Ni）的总磁矩要远小于标准化学配比的TM:Ti8O18团簇。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 自旋电子学与稀磁半导体
• 1.2 稀磁氧化物半导体的研究现状
• 1.3 本论文研究的主要内容
• 参考文献
• 第二章 理论模型和计算方法
• 2.1 引言
• 2.2 原子模拟方法
• 2.2.1 参数化势模型和能量优化
• 2.2.2 势参数确定
• 2.2.3 GULP程序包简介
• 2.3 第一性原理电子结构计算方法
• 2.3.1 Born-Oppenhimer 近似和单电子近似
• 2.3.2 密度泛函理论
• 2.4 离散变分电子结构计算方法
• 2.4.1 离散变分法的一般公式
• 2.4.2 数值积分
• 2.4.3 基函数的选取
• 2.4.4 库仑势
• 2.5 基于离散变分的ADF
• 2.5.1 Slater基组
• 2.5.2 密度拟合和库仑势
• 2.5.3 冻结内轨和对称化
• 2.5.4 小分子测试
• 参考文献
• 2的缺陷结构特性'>第三章 过渡金属掺杂 TiO₂的缺陷结构特性
• 3.1 引言
• 2体相中局域缺陷结构和分布'>3.2 锐钛矿TiO₂体相中局域缺陷结构和分布
• 3.2.1 纯净锐钛矿体相结构和性质
• 2体相中的结构和分布'>3.2.2 Co掺杂缺陷在TiO₂体相中的结构和分布
• 3.2.3 小结
• 2表面相中的局域缺陷结构和偏析'>3.3 锐钛矿TiO₂表面相中的局域缺陷结构和偏析
• 3.3.1 纯净锐钛矿表面
• 3.3.2 Co掺杂缺陷在锐钛矿表面相中的结构和偏析
• 3.3.3 小结
• 2体相中局域缺陷结构和分布'>3.4 金红石TiO₂体相中局域缺陷结构和分布
• 2体相结构和性质'>3.4.1 纯净金红石TiO₂体相结构和性质
• 2体相中的结构和分布'>3.4.2 Co掺杂缺陷在TiO₂体相中的结构和分布
• 3.4.3 小结
• 2表面相中的局域缺陷结构和偏析'>3.5 金红石TiO₂表面相中的局域缺陷结构和偏析
• 2表面'>3.5.1 纯净金红石TiO₂表面
• 2表面相中的结构和偏析'>3.5.2 Co掺杂缺陷在金红石TiO₂表面相中的结构和偏析
• 3.5.3 小结
• 参考文献
• 2的缺陷结构'>第四章 过渡金属掺杂 SnO₂的缺陷结构
• 4.1 引言
• 2体相中局域缺陷结构和分布'>4.2 三维SnO₂体相中局域缺陷结构和分布
• 2体相结构和性质'>4.2.1 纯净SnO₂体相结构和性质
• 2体相中的结构和分布'>4.2.2 Fe掺杂缺陷在SnO₂体相中的结构和分布
• 2表面相中的结构和偏析'>4.3 Fe掺杂缺陷在金红石SnO₂表面相中的结构和偏析
• 2表面'>4.3.1 纯净金红石SnO₂表面
• 2表面相中的结构和偏析'>4.3.2 Fe掺杂缺陷在金红石SnO₂表面相中的结构和偏析
• 4.4 小结
• 参考文献
• 第五章 过渡金属掺杂纳晶稀磁氧化物的电子结构和磁学特性
• 5.1 引言
• 2锐钛矿相的结构特性'>5.2 过渡金属掺杂纳晶TiO₂锐钛矿相的结构特性
• 2锐钛矿相的结构特性'>5.2.1 纯净纳晶TiO₂锐钛矿相的结构特性
• 2锐钛矿相的电子结构和磁学特性'>5.2.2 过渡金属掺杂纳晶TiO₂锐钛矿相的电子结构和磁学特性
• 5.3 小结
• 参考文献
• 结束语
• 附录 1 攻读学位期间发表的论文目录