稀土金屬Gd-半導體復(fù)合材料的電子結(jié)構(gòu)和磁性的第一性原理計算.pdf

1、稀土金屬的磁矩來源于局域的4f電子。稀土金屬Gd是四個室溫鐵磁金屬之一，居里溫度為293K。局域的4f電子的鐵磁排列極化導電的5d和6s電子，導致Gd的實驗磁矩值為7.63μB/Gd。稀土金屬與半導體的復(fù)合材料將在自旋電子學器件上具有潛在的應(yīng)用價值。
　　本文通過第一性原理計算方法研究了N空位和陰離子摻雜半金屬GdN、稀土金屬摻雜半導體ZnO和單層MoS2、Gd/單層MoS2界面的電子結(jié)構(gòu)和磁性。
　　首先，計算了不同濃度N

2、空位和不同濃度M(M=B、C、O、F、P、S和As)陰離子摻雜GdN的電子結(jié)構(gòu)和磁性。結(jié)果表明O摻雜GdN體系是最穩(wěn)定的。對于O、F、S和N空位摻雜，費米面上移，自旋極化率減小，體系總磁矩增加；對于C和B摻雜，費米面下移，自旋極化率減小，體系總磁矩增加；不同濃度P和As摻雜GdN時，由于P、As與N原子等價，只是半徑大于N原子，體系的總磁矩保持不變，但體系的半金屬性消失。
　　其次，計算了稀土元素RE(RE=La、Ce、Pr、Nd

3、和Eu)摻雜ZnO的電子結(jié)構(gòu)和磁性。研究發(fā)現(xiàn)Ce摻ZnO是最穩(wěn)定的。由摻雜體系的自旋差分密度發(fā)現(xiàn)RE周圍的O和Zn原子的自旋極化電荷密度很小而且非常局域，僅僅局限于近鄰處的4個O原子。當RE摻雜ZnO的濃度為12.5％時，Pr、Nd和Eu摻雜ZnO的磁基態(tài)是微弱的反鐵磁態(tài)，而Ce摻雜ZnO為鐵磁態(tài)。
　　另外，計算了Gd摻雜單層MoS2的電子結(jié)構(gòu)和磁性。研究發(fā)現(xiàn)兩個Gd原子之間的磁性耦合不僅與兩個Gd之間的距離有關(guān)，而且與體系的電

4、子結(jié)構(gòu)和化學成鍵的方向性有關(guān)。體系的基態(tài)磁性為微弱的反鐵磁性，鐵磁態(tài)為亞穩(wěn)態(tài)。兩個Gd原子成鐵磁排列時，鐵磁相互作用來源于Gd的5d和Mo的4d之間d?d軌道的鐵磁耦合以及Gd原子內(nèi)d?f交換相互作用。
　　最后，計算了2、4和6層Gd(0001)/MoS2界面的電子結(jié)構(gòu)和磁性。結(jié)果發(fā)現(xiàn)在界面處Gd(0001)和MoS2之間形成了強的化學鍵，導致費米面上移，進入MoS2的導帶。在費米面處，形成了新的表面Gdd態(tài)。Gd5d和Mo4d