自旋电子学材料的第一性原理研究

论文摘要

量子力学告诉我们,电子具有电荷和自旋双重属性,但过去的研究主要关注了电子的电荷属性,发展了传统的半导体学,人们忽视了电子的自旋属性。近二十年来,人们越来越关注电子的自旋属性,发展了一门新兴的学科—半导体自旋电子学。与传统的半导体器件相比,自旋电子器件有体积小、能耗低、速度快等优点,并且能够发展集半导体性和铁磁性为一体的多功能电子器件,具有很大的潜在应用价值。稀磁半导体和半金属铁磁体是制备自旋电子器件的重要材料,是凝聚态物理和材料物理研究的一个热点。计算机模拟与人工实验相比,有费用少和时间少等诸多优点。随着量子力学和固体理论等学科的不断完善,以及计算机性能的飞速发展,借助材料模拟软件模拟预言新材料越来越成熟。本文主要利用基于密度泛函理论的材料模拟软件Wien2k和CASTEP,对金红石TiO2基稀磁半导体、碱土金属氮化物和碳化物、以及半金属铁磁体的表面和界面,进行了磁性和电子结构的计算。金红石TiO2基稀磁半导体的研究表明,金红石TiO2掺杂V和Cr都具有铁磁性,并且其居里温度可能在室温或以上;考虑强关联因素时,掺杂体系从半金属性转变到了半导体性;氧空位对金红石TiO2掺杂Cr的电子结构和磁性有很大影响。对于碱土金属氮化物,我们的计算发现食盐结构的氮化物MX (M=Ca, Sr, Ba; X=N, P, As)中只有CaN、SrN和BaN具有半金属铁磁性,而闪锌矿结构的MX都具有半金属铁磁性;对于碱土金属碳化物,我们预言到食盐结构的SrC和BaC是半金属铁磁体,或至少能分别以PbS和PbSe为衬底外延生长SrC和BaC半金属铁磁薄膜;我们也预言了外延生长闪锌矿结构的CaC、SrC和BaC半金属薄膜的可能性;另外,居里温度的计算表明,食盐结构的SrC和BaC以及闪锌矿结构的CaC、SrC和BaC的居里温度都远远超过了室温。这使这些半金属体系在自旋电子器件中更加实用。闪锌矿结构CaC的(110)、(001)和(111)表面的计算表明,只有(110)面和以C为端面的(111)面维持了半金属铁磁性,这为外延生长CaC半金属薄膜有一定的指导作用;对于CrTe/ZnTe(001)界面,我们发现以Cr和Te为顶面的界面都保持了CrTe块材时的半金属性,但顶面却失去了半金属性。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 1 绪论
• 1.1 半导体自旋电子学
• 1.2 稀磁半导体
• 1.3 半金属铁磁体
• 1.4 物质磁性的分类和铁磁体的宏观特征
• 1.5 本文的工作
• 2 理论基础
• 2.1 密度泛函理论
• 2.2 材料模拟软件
• 2.3 全势线性缀加平面波（FP-LAPW）方法概述
• 2 基稀磁半导体的研究'>3 金红石TiO₂基稀磁半导体的研究
• 2 基稀磁半导体的研究进展'>3.1 TiO₂基稀磁半导体的研究进展
• 2 掺杂V 的电子结构和磁性研究'>3.2 金红石TiO₂ 掺杂V 的电子结构和磁性研究
• 2 掺杂Cr 的电子结构和磁性研究'>3.3 金红石TiO₂ 掺杂Cr 的电子结构和磁性研究
• 4 二元sp 半金属铁磁体的研究
• 4.1 食盐结构的碱土金属氮化物
• 4.2 食盐结构的碱土金属碳化物
• 4.3 闪锌矿结构的碱土金属碳化物
• 4.4 闪锌矿结构的CaSi 和CaGe
• 5 半金属铁磁体的表面和界面性质研究
• 5.1 二元半金属铁磁体的表面和界面性质研究概述
• 5.2 闪锌矿结构半金属CaC 的表面电子结构和磁性
• 5.3 闪锌矿结构半金属CrTe 的CrTe/ZnTe 界面的电子结构和磁性
• 6 全文总结和展望
• 6.1 全文总结
• 6.2 下一步的工作和展望
• 致谢
• 参考文献
• 附录1 攻读博士学位期间已发表或正在完成的学术论文
• 附录2 攻读博士学位期间所获奖励