宽带隙稀磁半导体纳晶的特性研究

论文摘要

稀磁半导体材料和纳米材料是当前国际两大重点研究领域。稀磁半导体纳晶材料则集两者特点于一身,更是备受关注,探索稀磁纳晶材料的新颖特性和调控手段成为当前研究的热点。本论文简要回顾了自旋电子学、宽带隙稀磁半导体和低维相的研究历史和现状;详细阐述了密度泛函理论以及电子结构计算方法?离散变分方法和ADF以及原子模拟方法。我们首先利用第一性原理电子结构计算方法系统考察了宽带隙稀磁半导体Mn/Cr-GaN纳晶团簇的电子结构和磁学特性,深入研究了该纳晶体系的对称性,表面吸附原子和磁学特性间的关系;最后我们采用原子模拟方法对过渡金属Co/Fe掺杂不同尺寸ZnO纳晶团簇的缺陷分布特性进行了研究。我们的研究表明,具有Oh对称的Ga12MnN14H24,Ga12MnN14H32和Ga12MnN14H38岩盐型纳晶团簇,每个Ga原子上吸附2个H原子,每个顶角和面心处N原子上无或吸附一个H原子,H原子覆盖度为44%,59%和70%,其纳晶团簇的总磁矩均为3μB。而Cr掺杂时为2μB。具有Oh对称的Ga12Mn（Cr）N14H48岩盐型纳晶团簇,每个Ga原子吸附2个H原子,每个顶角处N原子吸附3个H原子,这样H原子覆盖度为89%。对于Mn掺杂情形,我们发现了一个低自旋基态结构和一个高自旋亚稳态结构,总磁矩分别为1μB和5μB,能量差仅为0.03eV,两态间的渡越势垒为0.17eV,0.14eV。然而对于Cr掺杂情形,我们只得到一个总磁矩为3.8μB的磁性基态结构。继续在每个面心处N原子上吸附一个H原子,使H原子覆盖度达到100%,此时Ga12MnN14H54纳晶团簇仅有一个总磁矩为5μB的高自旋基态。具有D4h对称的Ga12Mn（Cr）N14H40岩盐型纳晶团簇,H原子覆盖度为74%,其中每个Ga原子吸附2个H原子,每个顶角处N原子吸附2个H原子。对于Mn掺杂情形,我们发现了一个低自旋基态结构和两个高自旋亚稳态结构,总磁矩分别为1μB ,3μB和5μB,磁亚稳态能量比基态高0.10eV,0.15eV。对于Cr掺杂情形,我们同样发现了一个低自旋基态结构和两个高自旋亚稳态结构,总磁矩分别为0.2μB,2μB和4μB,磁亚稳态能量比基态高0.01eV,0.08eV。多重磁态主要来源于Mn/Cr与近邻N原子的铁磁或反铁磁耦合。对于具有Td对称的Ga12MnN16H36闪锌矿型纳晶团簇,每个Ga原子吸附1个H原子,每个外层N原子吸附2个H原子。计算结果表明,基态结构总磁矩为5μB。最后我们研究了掺杂离子Co2+和Fe2+在ZnO纳晶团簇（粒径为1.5nm、2.0nm、2.5nm和3.0nm）中的分布特性。掺杂离子Co2+和Fe2+均喜欢中心掺杂,且关于纳晶中心呈对称均匀分布。这与D.R. Gamelin等人的实验观察结果相一致。

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 宽带隙稀磁半导体及其低维相的研究
• 1.3 本论文研究工作内容
• 参考文献
• 第二章 理论模型和计算方法
• 2.1 引言
• 2.2 基于密度泛函理论的第一性原理电子结构计算方法
• 2.3 离散变分电子结构计算方法
• 2.4 基于离散变分方法的ADF
• 2.5 原子模拟方法
• 参考文献
• 第三章 过渡金属掺杂纳晶 GaN的电子结构和磁学特性
• 3.1 引言
• 3.2 纯净岩盐结构GaN
• h对称性的TM-GaN纳晶'>3.3 具有O_h对称性的TM-GaN纳晶
• 4h对称性的TM-GaN纳晶'>3.4 具有D_4h对称性的TM-GaN纳晶
• d对称性的TM-GaN纳晶'>3.5 具有T_d对称性的TM-GaN纳晶
• 3.6 小结
• 参考文献
• 第四章 过渡金属掺杂纳晶 ZnO的结构特性
• 4.1 引言
• 4.2 过渡金属掺杂ZnO纳晶的结构特性
• 4.3 小结
• 参考文献
• 结束语
• 致谢
• 附录 1 攻读硕士学位期间发表的论文目录