文档介绍：ZnO 纳米层缺陷及掺杂磁性的第一性原理研
究

重庆大学硕士学位论文
(学术学位)

学生姓名:郑继
指导教师:王新强教授
专业:原子与分子物理
学科门类:理学

重庆大学物理学院
二 O 一三年四月
First-principles investigation of the ic
property of ZnOnanosheet with defects and
doping

A Thesis Submitted to Chongqing University
in Partial Fulfillment of the Requirement for the
Master’s Degree of Science
By
Ji Zheng

Supervised by Prof. Xinqiang Wang
Specialty: Atomic and molecular physics

College of Physics of Chongqing University, Chongqing, China
April 2013
重庆大学硕士学位论文中文摘要

摘要

稀磁半导体是自旋电子学中一类典型的材料,使半导体实现磁性的通常做法
是让掺杂离子在半导体带隙中引入杂质能级从而产生自旋极化。自从 Dietl 等人研
究发现过渡金属掺杂 ZnO 可能实现室温铁磁性之后,大量的研究把目光放到了基
于 ZnO 的稀磁半导体研究上来。通过脉冲激光沉积,溶胶凝胶等实验方法研究发
现,过渡金属掺杂 ZnO 有可能实现室温铁磁性。然而,也有一些研究利用同样的
实验手段并没有观察到室温铁磁性或者观察到磁性的来源并不是掺杂位,而是一
些磁性离子沉积和磁性离子的二次相。因此,要实现 ZnO 的稀磁半导体特性需要
克服几个瓶颈:( 1)磁性的来源应该是掺杂 ZnO 体系本身;( 2)充分改善注入电
子自旋的效率,即提高掺杂的浓度;(3)解决铁磁性的局里温度过低问题。此外,
随着纳米技术的发展,稀磁半导体对半导体尺寸和性能有了更高的要求。ZnO 单
层纳米层由于具有比 ZnO 块体更大的带隙和类石墨烯二维结构,在未来的低维稀
磁半导体应用方面有很大的潜力。因此,本文从基于第一性原理理论计算研究稀
磁半导体方法入手,对 ZnO 纳米层体系的磁性进行了探究。首先考虑具有本征缺
陷的 ZnO 纳米层,然后对 ZnO 纳米层进行非磁性元素(Cu、C、N)掺杂,并计
算了它们的电子和磁学性质。得出的主要结果如下:
(1) 无论是带价态的 O 空位还是中性的 O 空位都不能引起体系的磁性,原因
可能是由于 O 空位本身非局域的特征。中性的 Zn 空位能引入自旋极化,自旋极化
的主要来源为 Zn 空位周围最近邻的未配对 O 2p 电子,Zn 空位之间以铁磁性耦合
1 2
为能量基态。同时对带价态的 Zn 空位( VZn , VZn )也进行了研究,发现它们有削
弱体系磁性的影响。
(2) 由于 Cu 3d 和 O 2p 的杂化,Cu 掺杂 ZnO 纳米层具有自旋极化的特征,
但是增加 Cu 的浓度之后,Cu 离子之间倾向于聚合并以反铁磁耦合为基态,但随
着 Cu 离子之间距离的增加,它们之间的磁性耦合会由反铁磁转变为铁磁性耦合。
因此,通过控制 Cu 的浓度有望实现 ZnO 纳米层的铁磁性。
(3) C 和 N 是典型的非磁性 d0 元素, 在掺杂 ZnO 块体实现室温铁磁性的理论研
究有相应的报道。在 C、N 掺杂 ZnO 纳米层中,同样能引入自旋极化,且 C 2p 或
N 2p 和次近邻的 O 2p 发生非局域的 p-p 耦合。C 离子之间容易聚合并以铁磁性
耦合为基态,而 N 离子之间则不容易聚合,它们之间的磁性耦合表现为自旋玻璃
态。

关键词:ZnO 纳米层,本征缺陷,非磁性元素,磁性性质,第一性原理.
I
重庆大学硕士学位论文英文摘要

ABSTRACT

Dilute ic semiconductor is the typical materials of spintronics. mon
practice is that dopant ions introduce impurity levels into the semiconductor band gap.
Since Dietl et al found that