锗基与二氧化铪基铁磁半导体的电子结构和磁性研究

论文摘要

电子既是电荷的载体,又是自旋的载体。以研究和控制电子的荷电特性及其输运特性为主要内容的微电子学,作为二十世纪人类最伟大的成就之一,极大地推动了社会的进步,使人类进入了信息时代。但是在传统微电子学之中,电子只是被当作电荷的载体,它的自旋特性一直未被引起重视。二十世纪八十年代末,巨磁电阻效应（GMR,Giant magnetoresistance）的发现引发了磁存储和磁记录领域的革命,其重要的应用前景极大地激发了人们对磁性材料输运的兴趣,并在此基础上逐渐形成了一门以研究、利用和控制自旋极化的电子输运过程为核心的新兴学科:自旋电子学（Spintronics）。铁磁性半导体是自旋电子学领域的关键材料,传统的制备方法为掺杂过渡金属离子进入半导体的晶格,通过过渡金属离子间的铁磁耦合作用使半导体材料具有铁磁性,并保留重要的带隙。早期研究中铁磁性半导体材料的居里温度非常低,一般在10 K以下,这极大的限制了铁磁性半导体材料的实际应用。于是寻找具有高居里温度的磁性半导体材料成为自旋电子学的研究重点之一。上世纪90年代,首先在Ⅲ-Ⅴ族半导体材料（如GaAs）的研究中取得了巨大的进展,但其居里温度仍低于室温。之后,对于以氧化物为代表的Ⅱ-Ⅵ族材料和以Si、Ge为代表的Ⅳ族材料的研究也相继展开。Ge是一种Ⅳ族的半导体材料,与目前主流的半导体材料Si具有相似的电子结构,制作工艺也完全兼容。在Ⅳ族半导体材料中实现铁磁性无疑会为实际应用带来极大的便利。在对于MnxGe1-x材料的研究中,有关于磁性的起源,铁磁耦合的强弱等有不同的解释,实验报道的居里温度从几十K到室温各不相同。由于Mn元素与Ge元素可以形成具有铁磁性的合金相,针对磁性来源于本征材料还是这些合金相的问题也展开了不同的讨论。除了实现单晶MnxGe1-x磁性半导体外,多晶、非晶、纳米晶等结构的MnxGe1-x磁性半导体也有相关报道。许多理论工作者采用第一性原理计算的方法分析了MnxGe1-x磁性半导体中磁性的起源。普遍认为Mn原子在Ge中易于形成反铁磁耦合的团簇,这是在MnxGe1-x材料中实现高居里温度的铁磁性的巨大障碍。随着半导体科学的快速发展,在补偿金属氧化物半导体（CMOS）技术中,传统的SiO2基的门电极材料即将达到他们尺度上的极限。HfO2与ZrO2这类绝缘氧化物材料由于介电常数远高于SiO2材料,因此是SiO2门电极良好的替代品。在高介电常数的研究领域里,HfO2材料一直得到广泛的关注。在自旋电子学领域中,对于HfO2材料的研究起源于实验上的一个发现,在无掺杂的HfO2中测量到了铁磁信号。这一现象起初被认为是一种d0铁磁性,许多报道分析了该材料中可能引起局域磁矩的各种晶格缺陷。与此同时,也有报道指出这种铁磁性是由实验中引入的污染引起的。对于过渡金属掺杂的HfO2材料的实验研究认为磁性来源于过渡金属的团簇,相关的理论研究还未见有报道。目前对磁性半导体的理论研究主要有两种方式:（1）模型化研究;（2）基于密度泛函理论的第一性原理计算。本论文利用第一性原理计算软件计算Ge基和HfO2基磁性半导体的电子结构,从能带的角度研究磁性半导体中过渡金属的耦合作用,分析铁磁性起源。由于密度泛函理论和计算机技术的迅速发展,多种第一性原理计算软件相继诞生,如Vasp、Castep、Siesta、Quantum-Espresso等。本论文使用Quantum-Espresso软件包完成,该软件包是基于密度泛函理论,利用平面波赝势法计算电子结构的程序。在基于Ⅳ族元素Ge的磁性半导体材料MnxGe1-x中,Mn原子易于相互靠近,并形成近邻的反铁磁耦合的团簇,这种相互作用使得在MnxGe1-x材料中很难获得较高居里温度的铁磁性。通过对体系自旋密度分布的分析发现,格点上自旋极化的电子之间总是存在自旋反向的现象。通过引入其他的杂质离子,如H填隙,作为这种自旋反向的桥梁,形成Mn-H-Mn的复合结构。H原子的1s态与Mn原子的价电子态产生强烈的杂化,改变了Mn原子的自旋极化分布,从而实现了Mn原子近邻铁磁序排列的稳定结构。对于高介电常数材料HfO2的电子结构计算结果表明,在无掺杂的HfO2中,仅依靠Hf空位和O空位等本征缺陷很难形成足够强的长程铁磁序。但是,在强氧化的环境中,很容易形成Co原子替位Hf原子的缺陷态。这些替位Co原子之间的相互作用普遍为铁磁耦合作用,其中最近邻排列的两个替位Co原子的位型能量最低,是该系统的基态。Co原子之间的铁磁交换作用是通过单斜HfO2结构中三重简并的O原子传递的,在富电子的条件下,这种铁磁交换作用会进一步增强。由于局域密度近似普遍会得到带隙偏小和3d电子态能量偏高的结果,我们进一步使用LDA+U的方法进行修正,并采用“constrained-density-functional”方法和线性响应理论自洽计算得出参数Hubbard U的合理取值,结果表明对Co原子的3d电子加U后对体系的电子结构影响不大。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 序论
• 1.1 自旋电子学简介
• 1.2 铁磁性半导体简介
• 1.3 Ge基铁磁性半导体
• 2基铁磁性半导体'>1.4 HfO₂基铁磁性半导体
• 1.5 本论文研究的问题
• 参考文献
• 第二章 研究方法和程序介绍
• 2.1 密度泛函理论
• 2.1.1 多粒子体系的薛定谔方程
• 2.1.2 Hartree-Fock方程
• 2.1.3 Hohenberg-Kohn定理
• 2.1.4 Kohn-Sham方程
• 2.1.5 交换关联泛函
• 2.1.6 赝势法和全电子法
• 2.2 常用软件包简介
• 2.2.1 ESPRESSO
• 2.2.2 Vienna Ab-initio Simulation Package（VASP）
• 2.2.3 Material Studio（MS）
• 2.2.4 Gaussian
• 2.2.5 WIEN
• 2.2.6 SIESTA
• 2.3 Espresso程序介绍
• 参考文献
• xGe_1-x磁性半导体中H填隙传递的铁磁性'>第三章 Mn_xGe_1-x磁性半导体中H填隙传递的铁磁性
• 3.1 引言
• 3.2 研究方法与计算参数的设定
• 3.3 计算结果和讨论
• xGe_1-x'>3.3.1 不含H填隙的Mn_xGe_1-x
• xGe_1-x材料'>3.3.2 含有H填隙的Mn_xGe_1-x材料
• 3.4 本章小结
• 参考文献
• 2体系中d电子对磁性的影响'>第四章 HfO₂体系中d电子对磁性的影响
• 4.1 引言
• 4.2 研究方法与计算参数的设定
• 2和Co掺杂HfO₂体系的电子结构和磁性'>4.3 无掺杂HfO₂和Co掺杂HfO₂体系的电子结构和磁性
• 4.3.1 研究体系的选取
• 4.3.2 缺陷态的热稳定性
• 2的电子结构'>4.3.3 Co掺杂HfO₂的电子结构
• 4.4 LDA+U修正及U值的计算
• 4.5 本章小结
• 参考文献
• 第五章 总结
• 致谢
• 攻读博士学位期间发表的专业论文目录
• 学位论文评阅及答辩情况表