SnO2基铁磁性半导体的第一性原理研究

论文摘要

氧化物磁性半导体由于其在自旋电子学方面的潜在应用而成为凝聚态物理的研究热点。对于SnO2基磁性半导体,不仅过渡金属掺杂的SnO2,而且没有掺杂的SnO2都被报道有室温铁磁性。本论文采用基于密度泛函理论的第一性原理的计算软件WIEN2k计算研究了SnO2基磁性半导体铁磁性的机制。重点研究了氧空位缺陷对铁磁性的作用。对Co掺杂的SnO2,氧空位不仅能大大增加Co的局域磁矩,并且能导致远距离的Co之间产生长程铁磁耦合作用,计算的自旋分布和电子结构与Coey提出的自选劈裂杂质带模型相符的很好。对Ni掺杂的SnO2,氧空位使Ni产生磁矩,但并没有使远距离的Ni之间产生长程铁磁耦合作用。对没有掺杂的SnO2,体SnO2中形成能较低的缺陷中只有带一个正电荷的氧空位具有磁矩,但它们磁矩的耦合是反铁磁耦合。对于SnO2（110）面,正分比和还原表面中的单个氧空位也不能产生磁矩,但我们发现还原表面中包含两个及两个以上面氧空位的复合缺陷可以产生磁矩,而在体SnO2中的复合氧空位不能产生磁矩。因此我们认为没有任何掺杂的SnO2薄膜和纳米颗粒的磁性来源于表面的复合氧空位。

论文目录

• 内容提要
• 第一章 绪论
• 1.1 自旋电子学
• 1.2 铁磁性半导体
• 1.2.1 早期研究
• 1.2.2 氧化物稀磁半导体
• 1.2.3 宽禁带半导体中d0-磁性的提出
• 1.3 计算机模拟
• 1.4 本论文课题的提出
• 第二章 基本理论
• 2.1 第一性原理（First-principles）
• 2.2 哈特利-福克近似
• 2.2 密度泛函理论（DFT）
• 2.2.1 Hohenberg－Kohn 定理
• 2.2.2 Kohn－Sham 方程
• 2.3 交换关联能泛函
• 2.3.1 局域密度近似（Local Density Approximation，LDA）
• 2.3.2 广义梯度近似（Generalized Gradient Approximation, GGA）
• 2.4 常用的能带计算方法
• 2.4.1 正交平面波（OPW）方法和缀加平面波（APW）方法
• 2.4.2 线性缀加平面波（LAPW）方法
• 2.4.3 全势线性缀加平面波（FLAPW）方法
• 2.5 自洽-迭代方法（SCF）
• 2.6.W IEN2K 简介
• 2铁磁性中的作用'>第三章 Co 杂质和氧空位在Co 掺杂SnO₂铁磁性中的作用
• 2 简介'>3.1 SnO₂简介
• 3.2 GGA 计算
• 3.2.1 计算细节
• 1-xCo_xO₂ 体系的研究'>3.2.2 Sn_1-xCo_xO₂体系的研究
• 3.2.3 磁有序（磁耦合）
• 3.2.4 氧空位对磁矩和磁耦合的影响
• 3.3 GGA+U 计算及其与GGA 结果的比较
• 3.3.1 计算细节
• Co修正对Sn₁₅CoO₃₂ 体系电子结构和磁矩的影响'>3.3.2 U_Co修正对Sn₁₅CoO₃₂体系电子结构和磁矩的影响
• Co 修正对有无氧空位的Co 掺杂SnO₂ 磁有序的影响'>3.3.3 U_Co 修正对有无氧空位的Co 掺杂SnO₂磁有序的影响
• 2 磁有序的影响'>3.3.4 带隙修正对Co 掺杂SnO₂磁有序的影响
• 3.3.5 结果可信度的进一步验证
• 3.4 本章小结
• 2铁磁性中的作用'>第四章 Ni 杂质和氧空位在Ni 掺杂SnO₂铁磁性中的作用
• 4.1 计算细节
• 4.2 计算结果与分析
• 15NiO₃₂ 的研究'>4.2.1 对单个Ni 掺杂体系Sn₁₅NiO₃₂的研究
• 2 电子结构和磁性质的影响'>4.2.2 氧空位对Ni 掺杂SnO₂电子结构和磁性质的影响
• 4.2.3 磁耦合
• 4.2.4 加U 和带隙修正对磁有序的影响
• 4.3 本章小结
• 2铁磁性中的作用'>第五章 本征缺陷在不掺杂SnO₂铁磁性中的作用
• 5.1 计算细节
• 2 中局域磁矩的来源'>5.2 不掺杂的SnO₂中局域磁矩的来源
• o¹⁺之间的磁耦合及模型解释'>5.3 V_o¹⁺之间的磁耦合及模型解释
• 5.4 本章小结
• 2 （110） 表面磁效应'>第六章 SnO₂ （110） 表面磁效应
• 6.1 计算细节
• 6.2 正分比和各种还原面的电子结构和磁性质
• 6.3 氧空位及复合氧空位对正分比和还原结构表面磁性的影响
• 6.4 本章小结
• 第七章 结论与展望
• 参考文献
• 发表论文
• 致谢
• 摘要
• ABSTRACT