文档介绍：湘潭大学
硕士学位论文
氧化锌基稀磁半导体材料电子结构的第一性原理研究
姓名:周功程
申请学位级别:硕士
专业:物理电子学
指导教师:王金斌;孙立忠
20080520
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湘潭大学硕士学位论文氧化锌基稀磁半导体材料电子结构的第一性原理研究
摘要
近年来,基于对电子自旋的产生、输运、控制等性质的研究,产生了一门新兴的学
科——自旋电子学。由自旋电子学发展而来的自旋电子器件可以同时利用电子的电荷和
自旋属性,可以突破传统电子学所面临的量子力学瓶颈,实现信息的传递、处理、储存
于一体,受到了科学界的广泛关注。
氧化锌(Zinc Oxide,ZnO)是一种宽禁带II-VI族化合物半导体,在传输场效应管、
发光二级管、太阳能电池等光电子器件领域有着广泛的应用。ZnO基稀磁半导体材料
(DMS)由于它的理论预测居里温度在室温以上而被广泛关注,但是如何实现ZnO基
DMS中杂质和缺陷的调制,以及如何解释材料中磁性的起源问题等方面,一直以来都没
有统一的观点,这是ZnO基DMS没有被实际应用的主要瓶颈。
本文利用基于密度泛函理论的全电势线性缀加平面波方法对ZnO基DMS的电子结
构进行研究,主要包括以下几个方面的内容:
1. 在采用LDA+U近似对Zn-3d态电子的能量位置进行修正的基础上,对本征ZnO材
料的电子结构进行了计算分析,并通过与LDA近似以及GGA近似的计算结果比较,我们
发现LDA+U近似还原了Zn-3d电子的局域性,使Zn的d态电子和O的p态电子都局域在原
子周围。以此我们能够更好地研究ZnO中p-d电子之间的耦合作用。这也说明了LDA+U
是研究ZnO等强关联电子体系的一个非常有效的工具。我们对ZnO的成键性质在高压作
用下的变化进行分析,发现随着压力的增大,Zn-O键离子性增大,成键强度减弱。
2. 对ZnO的光学性质做了研究,发现纤锌矿(B4相)和闪锌矿(B3相)ZnO的介电
函数形状和峰值位置都比较接近,而岩盐结构(B1相)的介电函数与前两者差异较大,
这主要是由于B1相ZnO属于六配位体,而B4相和B3相ZnO都属于四配位体的原因。在高
压作用下,介电函数的光谱向高能方向移动,由于体系中电子结构的改变,引起了光谱
形状的改变。
3. 对多种过渡金属掺杂ZnO基DMS的电子结构进行了研究,并详细讨论了体系中的
交换作用。我们发现过渡金属的掺入使体系具有了半金属性质。除了之前已报道过的超
交换作用、双交换作用和RKKY交换作用外,用更精确的LDA+U近似计算发现,体系中
还存在着p-d交换作用。同时,我们对存在O空位缺陷时过渡金属掺杂ZnO基DMS的电子
结构进行了研究,发现O空位提高了电子从价带到导带跃迁的几率,因而体系的载流子
浓度也随之增大。载流子浓度的增加对超交换作用和双交换作用的影响较小,而RKKY
交换作用将随着载流子浓度的增大而增大。

关键词:全电势线性缀加平面波方法;LDA+U近似;氧化锌基稀磁半导体材料;
电子结构
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湘潭大学硕士学位论文氧化锌基稀磁半导体材料电子结构的第一性原理研究
Abstract
Based on the extensive research of injection, transportation and manipulation of electron
spin, a new subject called “Spintronics” emerges in recent years. Due to the feasibility of
controlling both the charge and spin of electron, spintronic devices can break through the
quantum-mechanical bottleneck of the microelectronic devices, and integrate transferring and
processing and data storage of information on the same chip. The spintronics has gained wild
interest in the munity.
Zinc Oxide (ZnO) is a kind of II–pound semiconductor with a direct wide band
gap, and has many applications in optoelectronic devices, such a