新型磁性材料的第一性原理计算与设计研究

论文摘要

磁性材料是古老而用途十分广泛的功能材料。从古代出现的指南针，到近现代的电话机等，都可以看到磁性材料的身影。随着现代信息技术的发展，磁性材料也广泛的被应用于信息存储。我们知道，在信息的存储过程中，我们只利用了电子的自旋特性，而信息的处理过程，则是利用了电子的电荷特性，这两个过程是分开实现的。因此，如果同时利用电子的自旋和电荷特性，不仅会大大加快信息处理过程，也会提高信息存储的密度和持久性。对这一课题的研究也产生了新的领域—自旋电子学（spintronics）。但是对于这一新的领域，很多有趣的性质，比如稀磁半导体中的室温铁磁性，都没有完全被理解。因此相应的理论研究十分必要，在此基础上做出的理论预言也会进一步加快新磁性材料的研究和应用。得益于计算机科学和理论物理化学的发展，基于密度泛函理论的第一性原理计算方法使理论研究磁性材料成为了现实。本论文共五章，分为三个部分：第一部分包括前面三章，主要是研究了目前非常受关注的石墨烯材料的磁性和电子结构。第二部分是研究了基于ZnO的稀磁半导体的磁性质和电子结构，包括电子掺杂的效应和表面的效应。第三部分研究了具有类铜酸盐结构的Cs2AgF4材料的铁磁性来源问题。第一章简要介绍了量子化学的历史及发展现状、密度泛函理论的理论框架和近年来的发展。Kohn建立了密度泛函理论基础，即：以基态电子密度为基础，假定一个多粒子体系的任何性质都是基态电子密度的函数。通过将多体相互作用包含在交换相关能量中，使得多体问题化为有效单粒子问题。因此密度泛函理论发展的主线就是寻找合适的交换相关能量泛函。本章最后还简要介绍了本论文所使用的密度泛函计算软件包。在第二章和第三章，我们把目光转向引发当前研究热潮的纳米材料石墨烯。第二章中，我们对它们的研究进展给了一个简单的介绍。石墨烯材料因为其独特的性质，例如反常量子霍耳效应，无质量的狄拉克粒子，吸引了众多理论和实验研究。从第三章开始，我们从理论上，预言了几种基于石墨烯的材料。首先，通过在armchair石墨烯纳米带上吸附过渡金属原子链的方法，我们发现可以实现体系的电子结构的调制，同时产生我们需要的磁性质。并且发现当纳米带的宽度小于2．1nm的时候，这样的杂化结构可能会产生半金属。而zigzag的石墨烯纳米带因为其边界态的存在，导致自身自旋极化的产生，更是我们关注的重点。基于密度泛函的理论研究，我们证实可以通过施加高的横向电场来实现把zigzag石墨烯纳米带转化成半金属。但是因为其电场强度太高，实现成本高。因此我们设计了两种基于化学合成的方法来实现此类材料的半金属性。第一种方法是通过边界修饰的方法，我们通过在zigzag石墨烯纳米带两端修饰不同的化学基团，NO2和CH3，可以得到我们需要的半金属性。同时，通过降低化学基团的浓度，可以让材料变得非常稳定，使化学合成变成可能。其次，我们预言了在石墨烯纳米带里面掺杂一条BN链，也可以实现半金属材料的产生。分子动力学的模拟显示此类材料在室温下是稳定的。第四章分析了两种稀磁半导体材料的电子结构。我们首先讨论了Co原子掺杂的ZnO的电子结构和磁性质。研究显示Co原子对倾向于近邻分布，磁性原子之间的磁耦合是反铁磁的。通过掺杂电子，可以显著改变稀磁半导体的电子结构和磁性质。当掺杂的电子浓度为每个Co原子1个电子的时候，我们发现，材料会从半导体转变成为金属，同时Co原子之间的磁性耦合会变成铁磁性。为了研究ZnO这类半导体材料表面对磁性掺杂的影响，我们研究了Cu掺杂的ZnO表面。理论研究的结果表明，不同的表面对于磁性的调制和掺杂原子的布居有非常大的影响。实验上发现的不同磁性的部分根源很有可能是不同表面调制的结果。第五章探讨了实验上合成的，具有类似高温超导材料La2CuO4结构的Cs2AgF4。实验显示Cs2AgF4具有二维AgF层。一个有趣的实验现象就是Cs2AgF4表现出与La2CuO4不同的磁性质，其二维AgF层是铁磁性的。建立在中子衍射探测的结构基础上，我们进行了理论研究探讨非常规的铁磁性的来源。研究显示，由于二维平面内的F原子偏离了原来的中心位置，触发了平面内Ag原子的z2-y2和z2-x2交错轨道序，通过中间的连接F原子的超交换作用稳定了这种平面的铁磁性。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 目录
• 第1章 密度泛函理论
• 1.1 Hartree-Fock方程
• 1.2 密度泛函理论的基础
• 1.2.1 Hohenberg-Kohn理论
• 1.2.2 Kohn-Sham方程:有效单电子近似
• 1.3 交换相关能量泛函
• 1.3.1 局域自旋密度近似（LSDA）
• 1.3.2 广义梯度近似（GGA）
• 1.3.3 杂化泛函
• 1.3.4 LDA+U和自相互作用修正
• 1.4 密度泛函理论的优势和应用
• 1.5 本论文所采用的基于密度泛函理论的计算软件包
• 第2章 石墨烯的研究进展
• 2.1 石墨烯的发现
• 2.2 石墨烯的制备手段
• 2.3 石墨烯的空间几何结构
• 2.4 石墨烯的特殊电子结构
• 2.5 石墨烯的电子结构的调控性质
• 2.6 石墨烯的输运性质
• 2.7 石墨烯的磁性质
• 2.8 小结
• 第3章 石墨烯纳米带的理论研究
• 3.1 石墨烯纳米带的研究背景
• 3.2 金属原子链吸附的Armchair石墨烯纳米带的研究
• 3.2.1 研究动机
• 3.2.2 计算方法与细节
• 3.2.3 空间结构和磁结构
• 3.2.4 电子结构
• 3.2.5 小结
• 3.3 电场导致的Zigzag石墨烯纳米带的半金属
• 3.3.1 研究动机
• 3.3.2 计算方法与细节
• 3.3.3 结果与讨论
• 3.3.4 小结
• 3.4 边界修饰导致的Zigzag石墨烯纳米带的半金属
• 3.4.1 研究动机
• 3.4.2 计算方法与细节
• 2-NH₂的结果'>3.4.3 NO₂-NH₂的结果
• 2-H的结果'>3.4.4 NO₂-H的结果
• 2-CH₃的结果'>3.4.5 NO₂-CH₃的结果
• 3.4.6 小结
• 3.5 BNC杂化纳米带的半金属
• 3.5.1 研究动机
• 3.5.2 计算方法与细节
• 3.5.3 杂化纳米带的电子结构
• 3.5.4 电荷极化和电子自旋极化的竞争
• 3.5.5 杂化纳米带的稳定性
• 3.5.6 小结
• 第4章 基于氧化锌的稀磁半导体的理论研究
• 4.1 稀磁半导体的研究进展
• 4.1.1 稀磁半导体的介绍
• 4.1.2 稀磁半导体的制备
• 4.1.3 稀磁半导体的研究进展
• 4.1.4 稀磁半导体的磁性质和输运性质
• 4.1.5 稀磁半导体的应用
• 4.2 钴掺杂的氧化锌体系
• 4.2.1 研究背景
• 4.2.2 计算方法与细节
• 4.2.3 钴掺杂的氧化锌的结构及磁性
• 4.2.4 电子掺杂下的表现
• 4.2.5 讨论
• 4.2.6 小结
• 4.3 铜掺杂的氧化锌表面
• 4.3.1 研究背景
• 4.3.2 计算方法与细节
• 4.3.3 LDA计算的的结构及磁性
• 4.3.4 考虑电子相关后的结构及磁性
• 4.3.5 小结
• 2AgF₄的理论研究'>第5章 Cs₂AgF₄的理论研究
• 5.1 研究背景
• 5.1.1 高温超导材料的介绍
• 2AgF₄的实验与理论研究'>5.1.2 Cs₂AgF₄的实验与理论研究
• 5.2 计算方法与细节
• 5.3 GGA的计算结果
• 5.4 GGA+U的计算结果
• 5.5 小结
• 参考文献
• 致谢
• 在读期间发表的学术论文与取得的研究成果