闪锌矿结构半金属的第一性原理研究

论文摘要

自旋电子学是最近新发展起来的涉及磁学、电子学以及信息学的交叉学科,它同时利用电子的电荷和自旋来进行信息的存储和处理。自旋电子学材料与普通半导体电子器件相比具有低损耗、非易失性和高集成度等优点。现在,关键问题是寻找高居里温度、高自旋极化率的自旋电子学材料。半金属（half-metallic）铁磁体有着较高的居里温度和接近100%的高自旋极化率。因此,它无疑将会成为理想的半导体自旋电子注入源。本论文采用密度泛函理论的全势线性缀加平面波方法进行计算,寻找半金属材料。首先,介绍稀磁半导体和半金属的研究现状,阐述了密度理论及所用软件包等基本内容。其次,计算自旋相关的闪锌矿（zinc-blende, ZB） ScM（M=C, Si, Ge, Sn）。通过对它们的态密度、能带和磁矩的分析。结果表明,闪锌矿ScM （M=C, Si, Ge, Sn）是磁矩为1.0μB的真实半金属铁磁体,且它们的结合能绝对值比ZB CrSb大,实验上可以合成这些化合物,在自旋电子学中具有一定的应用价值。再次,计算了基于闪锌矿结构的半导体CdSe中掺入过渡金属Cr所形成的三元化合物Cd1-xCrxSe （x=0.25, 0.5, 0.75）,通过对它们的电子结构和磁性质分析。计算表明,晶格原子位置驰豫前后它们仍是真实的半金属铁磁体,且每分子单元的磁矩都是4.0μB。这三种半金属铁磁体,在结构上能与传统的半导体兼容,能通过外延方式在合适的基底上生长出来,得到实际应用。最后,研究了闪锌矿TcM （M=C, Si, Ge）,通过对自旋极化的态密度、磁矩以及铁磁态的总能分析。理论预测TcM是真实稳定的半金属铁磁体,在半导体自旋电子学中一定的应用潜能。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第1章 绪论
• 1.1 课题的研究背景和意义
• 1.2 磁性半导体
• 1.3 半金属
• 1.4 论文的研究内容和组织结构
• 第2章 理论方法和计算软件介绍
• 2.1 密度泛函理论
• 2.2 密度泛函理论的发展及应用
• 2.3 全势线性缀加平面波方法
• 2.4 模拟计算软件WIEN2K 简介
• 第3章 闪锌矿SCM （M=C, SI, GE, SN）半金属铁磁体的第一性原理研究
• 3.1 引言
• 3.2 计算方法和理论模型
• 3.3 计算结果及讨论
• 3.4 本章小结
• 第4章 CR 掺CDSE 的第一性原理研究
• 4.1 引言
• 4.2 计算方法与理论模型
• 4.3 计算结果及其讨论
• 4.4 本章小结
• 第5章 闪锌矿型TCM （M=C, SI, GE）半金属铁磁体的第一性原理研究
• 5.1 引言
• 5.2 计算方法和理论模型
• 5.3 计算结果及讨论
• 5.4 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间参加的科研任务与主要成果
• 致谢
• 作者简介