三元化合物Zn4-XYXS4（Y=V、Cr、Mn）半金属铁磁性的第一性原理研究

论文摘要

自旋电子学是一门微电子学和磁学相交叉的新型学科，它同时利用电子的电荷和电子的自旋两个自由度来进行信息的存储和处理。与普通半导体电子器件相比较，自旋电子器件具有非易失性、低功耗和高集成度等优点。目前的关键问题之一是要寻找具有高自旋极化率、高居里温度的自旋电子材料。ZnS在Ⅱ-Ⅵ族半导体中具有最宽的带隙，通过分别用过渡金属（V、Cr、Mn）替换2×2×1ZnS超晶胞中的部分Zn原子可以得到较高的居里温度和高自旋极化率（100%）的半金属材料，因此，ZnS基磁性半导体在自旋电子学领域具有重要的应用价值。本文采用基于密度泛函理论（DFT）的第一性原理方法，计算V、Cr和Mn替代2×2×1闪锌矿ZnS超晶胞中部分Zn原子后的得到的三元化合物的能带结构、态密度和磁学性质等，系统研究替换后所得三元化合物的半金属磁性机理，分析两种不同配比x=1，x=2和同种配比（x＝2）两种不同替换位置（平行替换（b）和对角线替换（c））对半金属能隙的影响，得到的主要结论如下：1)不同配比的Zn4-XYXS4：（1）对V原子，x=1和x=2两种替换情况，计算结果显示其半金属带隙分别为0.302eV和0.464eV。主要原因是随替换V原子增加，自旋向下子带受Zn原子的s轨道影响较大，并向高能端移动，导致其半金属能隙增加。（2）对Cr原子，x=1和x=2两种替换情况，计算结果显示半金属能隙分别为1.005eV和0.961eV。主要原因是随着替换Cr原子的增加，Cr原子间相互作用增强，Cr3d能带向两边展宽，导致自旋向下子带导带底的能量位置下降，半金属能隙更小。（3）对Mn原子，x=1和x=2两种替换情况，反铁磁态总能低于铁磁总能，所以反铁磁态是更稳定的基态。2)同种配比不同替换位置的三元化合物Zn2Y2S4：（1）对Zn2V2S4和Zn2Cr2S4而言，同层替换（b）的半金属带隙分别为0.464eV和0.961eV；对角线替换（c）的半金属带隙分别0.253eV和0.758eV。（b）替换较（c）替换的半金属带隙大，主要原因是（c）替换中由于Jahn-Teller效应引起态密度峰少而展宽，导致半金属带隙减小。因此本文推测V，Cr有发生平面聚集的趋势。（2）对本文中Zn2Mn2S4来说，对角线替换（c）和同层替换（b）的铁磁稳定能均为负，显示反铁磁态是更稳定的基态，但（c）替换的铁磁稳定能更大，预示随Mn-Mn原子距离增大，系统铁磁稳定能逐渐变大，体系趋于铁磁态。本文的计算结果同已有的相关的理论计算较为一致，另外我们还得到了一些新的计算结果，并试着做出了一定的解释，虽然这些还有待进一步的理论或实验验证，但对研究磁性半导体具有一定的指导意义。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 1 绪论
• 1.1 自旋电子学材料与器件
• 1.2 硫化锌基稀磁半导体材料
• 1.3 本文研究的内容、方法及意义
• 1.3.1 研究内容
• 1.3.2 研究方法
• 1.3.3 研究意义
• 2 密度泛函理论及其计算软件简介
• 2.1 密度泛函理论
• 2.1.1 Hobenberg-Kohn 定理
• 2.1.2 Kohn-Sham 方程
• 2.1.3 局域密度近似（LDA）和广义梯度近似（GGA）
• 2.2 CASTEP 简介
• 2.2.1 CASTEP 程序相关理论
• 2.2.2 CASTEP 的主要计算功能
• 2.3 本章小结
• 3 ZnS 的第一性原理研究
• 3.1 理论模型
• 3.2 计算方法
• 3.3 ZnS 的能带结构和态密度
• 3.4 本章小结
• 4-xY_xS₄的第一性原理研究'>4 Zn_4-xY_xS₄的第一性原理研究
• 4.1 引言
• 4.2 计算方法和计算模型
• 4.2.1 理论模型
• 4.2.2 计算方法
• 4.3 计算结果与分析
• 4-xY_xS₄的电子结构'>4.3.1 Zn_4-xY_xS₄的电子结构
• 4-xY_xS₄的磁性'>4.3.2 Zn_4-xY_xS₄的磁性
• 4-xY_xS₄的稳定性'>4.3.3 Zn_4-xY_xS₄的稳定性
• 4-xY_xS₄的结果比较'>4.4 Zn_4-xY_xS₄的结果比较
• 4.5 本章小结
• 5 结论与展望
• 5.1 结论
• 5.2 展望
• 致谢
• 参考文献
• 附录
• 作者在攻读学位期间发表的论文目录