纳米晶体的电子结构与磁性的第一性原理研究

论文摘要

自旋电子学是一个新的领域,使得人们可以将半导体的电子,光学和磁学性质结合起来利用,而这些结合在原来的物理学中是不可能的,利用这些半导体的自旋特性（电子和空穴）可以实现一些新的功能,例如自旋基的信息存储,数据处理,自旋极化激光等等。有人从理论计算预言了Mn掺杂的ZnO具有高的居里温度并且认为室温下的Mn掺杂的ZnO或许具有铁磁性。要充分利用稀磁半导体材料由于自旋所带来的优势,低维相当必要,这可以使稀磁半导体材料广泛应用到当今电子器件中。单臂ZnO纳米管能够作为一个好的模型使人们从理论上研究纳米结构的ZnO。到目前为止,纳米结构铁磁性的起源问题仍有争议并且不是非常清楚。是否是因为在稀磁半导体中形成的磁性纳米团簇导致的磁性仍有待讨论。理解磁性团簇的形成和性质相当重要,这可以为过渡金属掺杂的稀磁半导体材料的磁学性质提供一个清晰的图案。另一方面,纳米团簇自身的磁学性质非常有趣。例如,块体的过渡金属氧化物NiO和CoO是反铁磁的,然而人们发现纳米晶体状的这些材料部分具有强的铁磁性,这使得过渡金属氧化物纳米晶体有潜在的应用。本论文利用基于密度泛函理论的第一性原理赝势方法,在GGA近似下,研究了Mn原子吸附在ZnO单层和纳米管、Mn掺杂ZnO纳米管以及NiO纳米团簇的电子结构和磁性,主要结论如下:（1）对吸附单个Mn原子在ZnO单层和在单臂的（9,0）ZnO纳米管上的稳定的几何构型,电子结构和磁学性质进行了计算,结果表明:在ZnO单层上,Mn原子更倾向于吸附在Zn和O构成的六角形中心的上方（H位）,此吸附位具有相对大的结合能,值为1.24eV;当Mn原子吸附在ZnO纳米管的内表面时,也倾向于吸附在H位,其结合能为1.47eV;Mn原子吸附在ZnO单层和ZnO纳米管内表面的总磁矩都是5.0μB,这与单个Mn原子的磁矩相同;当Mn原子吸附在纳米管的外表面时,Mn原子倾向于吸附在O的顶位,此位置能量最低,磁矩是3.19μB,这个小的磁矩主要是由于Mn原子的3d轨道与O原子的2p轨道的杂化作用。论文中还讨论了吸附行为与纳米管曲率的关系。（2）对纯椅子型ZnO纳米管和纯之字型纳米管,以及Mn掺杂的椅子型与之字型ZnO纳米管的电子结构与磁学性质进行了计算,结果显示:所有纯ZnO纳米管是非磁性的并且在Γ点有相近的带隙1.66eV,无论是之字形还是椅子形纳米管都是直接带隙半导体并且带隙的值与管状结构无关;对于Mn掺杂的ZnO纳米管,我们发现带隙由三个因素影响,分别是掺杂浓度,直径和管子的手性,然而这些管子Zn-O键与Mn-O键的键长仅仅由纳米管的直径决定。比较Mn掺杂的之字形纳米管与椅子形纳米管,我们发现磁矩大小与纳米管手性无关,主要受Mn的掺杂浓度和纳米管直径的影响,Mn掺杂的ZnO纳米管的磁矩较大,经分析发现这主要是O的2p与Mn的3d的杂化作用的影响。（3）通过对NiO团簇的稳定几何结构的磁学性质的计算,我们发现从能量的观点来说小团簇因为Ni原子的自旋容易被补偿所以更喜欢反铁磁状态,尺寸中等的团簇由于具有高的表体比和不能补偿的表面自旋而显示铁磁态,相对大的团簇因为得不到补偿的表面自旋而具有小的磁矩。对Ni18O18团簇进行了非共线自旋极化计算,结果显示此团簇处于非共线状态的总能量低于共线状态的总能量。随着团簇尺寸的增大,结合能逐渐增大,因此团簇也更加稳定,但是团簇的总磁矩先增大然后快速减小。此结果对实验具有很好的参考价值。

论文目录

• 中文摘要
• 英文摘要
• 1 绪论
• 1.1 前言
• 1.2 自旋电子学及其应用
• 1.3 自旋电子学的重要分支-稀磁半导体
• 1.3.1 稀磁半导体材料的研究历史与现状
• 1.3.2 稀磁半导体研究的意义
• 1.3.3 ZnO 基稀磁半导体的研究
• 1.3.4 ZnO 纳米管的研究
• 2 理论方法和计算软件
• 2.1 能带理论简介
• 2.1.1 能带理论的建立
• 2.1.2 对周期势函数的处理
• 2.2 密度泛函理论简介
• 2.2.1 Hohenberg-Kohn 定理
• 2.2.2 Kohn-Sham 方程
• 2.2.3 局域密度近似
• 2.2.4 广义梯度近似
• 2.3 计算软件
• 2.3.1 计算软件VASP 简介
• 2.3.2 第一性原理计算的一般流程
• 2.4 本章小结
• 3 Mn 原子吸附在单层 ZnO 上和吸附在 ZnO 纳米管上的第一性原理研究
• 3.1 引言
• 3.2 计算模型与参数设置
• 3.3 Mn 原子吸附在单层ZnO 上
• 3.4 Mn 原子吸附在（9,0）ZnO 纳米管的外表面
• 3.5 Mn 原子吸附在（9,0）ZnO 纳米管的内表面
• 3.6 曲率效应对吸附行为的影响
• 3.7 本章小结
• 4 Mn 掺杂 ZnO 纳米管的电子结构和磁学性质的第一性原理研究
• 4.1 引言
• 4.2 计算模型与参数设置
• 4.3 纯ZnO 纳米管的几何结构与电子性质
• 4.4 Mn 掺杂的ZnO 纳米管的电子结构与磁学性质
• 4.5 Mn 掺杂之字形纳米管与Mn 掺杂椅子形纳米管的对比
• 4.6 本章小结
• 5 NiO 团簇的第一性原理研究
• 5.1 引言
• 5.2 计算参数设置
• 5.3 计算结果和分析
• 5.4 本章小结
• 6 结论与展望
• 6.1 本文的主要结论
• 6.2 主要创新点
• 6.3 后续研究工作的展望
• 致谢
• 参考文献
• 附录
• A 攻读博士学位期间发表的学术论文
• B 攻读博士学位期间参加的科研项目
• C 攻读博士学位期间获得的奖励