文档介绍：华中科技大学
博士学位论文
掺杂ZnO稀磁半导体磁性的第一性原理计算
姓名:梁培
申请学位级别:博士
专业:微电子学与固体电子学
指导教师:江建军
20090520
华中科技大学博士学位论文
摘要
自旋电子学是利用电子的电荷和自旋两个自由度作为信息载体,进而实现信息传
输、处理和存储,目前已成为电子学、物理以及材料等多学科交叉研究中的热点之一,
作为关键材料的稀磁半导体的研究备受关注。鉴于氧化锌半导体作为母体材料的稀磁
半导体有可能实现较高的掺杂浓度,且掺杂离子的 3d 能带可以通过本征缺陷态而产
生强铁磁耦合作用。因此,ZnO 稀磁性半导体成为首选研究体系。结合寻求具有高居
里温度的稀磁性半导体和分析稀磁性半导体内部磁性产生的机理这两个关键科学问
题,本论文主要采用基于密度泛涵的第一性原理计算 ZnO 稀磁半导体的电子结构,并
且分析和解释其磁性起源机理。在此基础上,研究第一性原理和蒙特卡洛方法耦合集
成来计算 ZnO 稀磁半导体的居里温度,探讨居里温度的调控方法,重点讨论不同单掺
杂和共掺杂体系对于 ZnO 稀磁半导体磁性的影响和作用机理。
首先,阐明利用第一性原理赝势平面波方法和全势-缀加平面波方法计算 ZnO 稀
磁性半导体电子结构理论的基础和计算方案,从能带角度研究氧化物磁性半导体中过
渡金属的耦合作用,为解释磁性起源机理奠定了基础。进一步利用第一性原理和蒙特
卡洛耦合集成算法,预测不同计算体系的居里温度,研究其调控方法。
其次,利用全势-线性缀加平面波方法在广义梯度近似下计算了碳单掺杂的 ZnO
电子结构。结果表明,碳掺杂在氧位置或者是在间隙位置都会导致磁性,并且无论是
间隙位置掺杂还是替代掺杂体系都具有半金属性,理论上具有较高的自旋极化率。利
用第一性原理和蒙特卡洛耦合计算方法获得了碳掺杂 ZnO 的居里温度,在不同的掺杂
浓度下,居里温度分布 251~439 K 之间。由此表明碳单掺杂的 ZnO 稀磁半导体在合适
的制备条件下,可以得到室温铁磁性。
利用全势-线性缀加平面波方法在库仑势修正下,计算了钕单掺杂的 ZnO 以及其
分别含有一个VZn 和一个VO 的电子结构和磁性。表明含有VZn 缺陷的钕掺杂的 ZnO 可
能具有较高的居里温度,而没有任何本征缺陷时则表现出顺磁性,含有VO 的体系具有
弱反铁磁耦合。对于含有VZn 缺陷的体系其磁性的起源,利用束缚极化子机理进行了
I
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相应地解释。
最后,研究了过渡金属-金属共掺杂体系对于 ZnO 稀磁半导体的影响,分析交换
作用产生磁性的载流子调控机理。研究了 Co-Al 掺杂 ZnO 体系,通过 Al 原子的引入,
实现了共掺杂体系的反铁磁到铁磁性的转变。铁磁性的起源主要由于多余的电子调控
下的 Al-2p 电子和近邻的 Co-3d 电子的相互作用,导致了体系的磁性,其相互作用符
合载流子调控的 p-d 交换模型。Fe-Al 掺杂 ZnO 体系的计算表明,Fe 掺杂的 ZnO 体系
在基态下表现出反铁磁性,当引入 Al 原子后, Al 处于最近邻掺杂是 Fe 掺杂 ZnO 体
系实现了反铁磁到铁磁态的转变,此时 Al-2p 电子和 Fe-3d 电子没有发生作用,铁磁
性的产生是 RKKY 远程交换作用。
研究了 Cu-N 过渡金属-非金属共掺杂 ZnO 稀磁半导体体系的载流子调控机理,
通过 N 原子的引入,N-2p 和 Cu-3d 发生了交换作用,这个交换作用使得掺杂系统更
加稳定。同时在掺杂前后,体系的价带顶仍然都是有 O-2p 电子占据的,在导带顶中
Cu-3d 电子和 4s 电子占据了大部分的态。载流子调控模型被用来解释磁性的起源,由
于 N 的掺入使得在掺杂体系中的载流子数量增加,磁性离子之间的交换作用通过自由
载流子进行传递,导致了体系的磁有序。
进一步研究了过渡金属-非金属共掺杂体系的居里温度调控方法和作用机理。表明
Mn-N 共掺杂的体系成功实现了基态下的铁磁性转变。从海森堡模型和平均场理论出
发利用蒙特卡洛和第一性原理的方法预测得到共掺杂体系可以具有室温铁磁性。
总之,通过第一性原理与蒙特卡洛方法耦合集成,计算了单掺杂和共掺杂的几种
典型体系,表明其作用机理不尽相同,由此解释了稀磁半导体中磁性的起源和居里温
度(Tc )提高的途径,为 ZnO 稀磁半导体掺杂工艺提供了实践设计方向。
关键词: 自旋电子学 ZnO 磁性半导体共掺杂技术第一性原理计算
电子结构蒙特卡洛方法居里温度
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Abstract
Spintronics s