文档介绍：华中科技大学
硕士学位论文
ZnO和ZnS基半金属铁磁体的第一性原理研究
姓名:马国强
申请学位级别:硕士
专业:凝聚态物理
指导教师:姚凯伦
2011-01-12
华中科技大学硕士学位论文
摘要
本文利用基于密度泛函理论(DFT)的全势线性缀加平面波(FPLAPW)方法对
本征非磁性元素碳掺杂的闪锌矿结构的氧化锌和钛掺杂的硫化锌的电子结构和磁性
质进行了研究。
我们发现碳掺杂闪锌矿结构的氧化锌具有半金属铁磁性,当碳在其中的掺杂比
%时,µB,其磁矩主要来源于掺杂的碳原子上,与碳原
子最近邻的锌原子和次近邻的氧原子也有一定的贡献。此外,我们还发现碳掺杂的
闪锌矿结构的氧化锌是一种p型铁磁半导体材料。通过对碳掺杂闪锌矿结构的氧化锌
的铁磁稳定性的研究,我们发现,当碳原子之间的距离较近时碳原子之间易于形成
顺磁团簇,不利于铁磁性的形成,而当碳原子之间的掺杂距离适宜时,可以得到半
金属铁磁体,因此在实验上制备该材料时应采取一些措施避免碳原子的团簇现象,
最后对其铁磁性的形成机制进行了分析。
其次,我们也对钛掺杂的硫化锌的电子结构和磁性质进行了研究,通过理论计
算我们发现,对于钛掺杂的硫化锌体系具有明显的铁磁性。当钛在硫化锌中的掺杂
%时,µB,其磁矩主要来自于掺入的钛原子的磁矩。
通过对钛掺杂硫化锌的铁磁稳定性的研究我们发现,体系倾向于形成稳定的铁磁性
基态,其铁磁相互作用可以用自由离子调制的双交换作用来解释。
由于锌、氧、硫、碳以及钛均是无磁性的元素,而且它们之间所形成的二元化
合物也都不具有磁性,所以对于碳掺杂的闪锌矿结构的氧化锌以及钛掺杂的硫化锌
的磁性均是材料的本征性,不存在磁性杂质相的问题,因此它们将在自旋电子学器
件方面具有潜在的应用前景。

关键词:全势线性缀加平面波方法半金属铁磁体稀磁半导体态密度
I
华中科技大学硕士学位论文
Abstract
In this thesis, the electronic structures and ism of the intrinsic non-ic
elements carbon-doped zinc-blende zinc oxide and titanium-doped zinc sulfide are
investigated using the full-potential linearized augmented plane wave (FP-LAPW) based
on the density functional theory (DFT).
We find that C-doped zinc-blende ZnO is a half-metallic ic
semiconductor. When the content of carbon in the zinc-blende ZnO is %, the total
ic moment is µB for the ZnO1-xCx (x=), which mainly originates from
the carbon atom and a few contributions from the nearest neighboring Zn atoms and
next-nearest neighboring O atoms. Furthermore, it indicates C-doped zinc-blende ZnO can
induce ZnO to p-type ic semiconductors. After investigating the ic
stability of C-doped zinc-blende ZnO, we find that when the distance between the carbon
atoms is adjacent the carbon atoms are prone to form ic clusters, which is
unfavorable to the formation of ism, when the distance between the carbon
atoms is appropriate, the half-metallic can be achieved. Therefore, we should
take some measures to avoid the c