ZnO和TiO2基稀磁半導(dǎo)體的磁性和光學(xué)性質(zhì)的計算研究.pdf

1、傳統(tǒng)的半導(dǎo)體電子器件只利用了電子的電荷屬性,但量子力學(xué)告訴我們,電子同時具有電荷屬性和自旋屬性。在過去的二十年里,電子的自旋屬性受到越來越多的關(guān)注,并由此催生出一個新的領(lǐng)域:自旋電子學(xué)。自旋電子學(xué)器件同時利用了電子的電荷和自旋,具有體積小,耗能低等顯著優(yōu)點。稀磁半導(dǎo)體和半金屬鐵磁體在自旋電子學(xué)器件方面有著重要的潛在應(yīng)用價值,是當(dāng)今凝聚態(tài)物理領(lǐng)域的一個研究熱點。
　　隨著計算機技術(shù)的飛速發(fā)展,借助材料模擬軟件模擬預(yù)言新材料越來越成熟

2、。與人工實驗相比,計算模擬具有省時和經(jīng)濟的優(yōu)點。本文主要利用基于密度泛函理論的材料模擬軟件WIEN2k和CASTEP,計算了閃鋅礦相ZnO基稀磁半導(dǎo)體和金紅石相TiO2基稀磁半導(dǎo)體的磁性和電子結(jié)構(gòu)。
　　對非磁性元素C摻雜閃鋅礦相ZnO的研究表明:該體系是一種半金屬鐵磁體,基態(tài)為鐵磁態(tài)。計算出的低形成能顯示其結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性非常好,且其居里溫度理論值達到476K,說明該材料是一種理想的自旋電子學(xué)器件材料。由于Zn、O及C元素皆是非磁性的

3、,故我們可以確認體系中的鐵磁性是材料的內(nèi)稟特性,其鐵磁性可以用以空穴為介質(zhì)的雙交換機制來解釋。C雜質(zhì)的摻入導(dǎo)致大量空穴的產(chǎn)生,C原子2p態(tài)與O原子2p態(tài)之間通過這些空穴發(fā)生類似于p-d交換作用的p-p型相互作用,從而在兩個C原子之間產(chǎn)生長程的鐵磁性相互作用。
　　對N摻雜,Co摻雜及N,Co雙摻雜金紅石TiO2的研究表明:N摻雜金紅石TiO2是以反鐵磁態(tài)為基態(tài)的半導(dǎo)體;Co摻雜與N,Co雙摻雜金紅石TiO2的基態(tài)均為鐵磁態(tài),當(dāng)采用

4、GGA處理交換關(guān)聯(lián)泛函時,Co摻雜與N,Co雙摻雜金紅石TiO2分別呈現(xiàn)出半金屬性和近半金屬性,然而當(dāng)采用GGA+U處理交換關(guān)聯(lián)泛函時,Co摻雜與N,Co雙摻雜金紅石TiO2均呈現(xiàn)出半導(dǎo)體性;N摻雜,Co摻雜以及N,Co雙摻雜這三種方式均能夠極大地擴展金紅石TiO2在可見光區(qū)域的光學(xué)吸收譜,N摻雜系統(tǒng)在短波范圍內(nèi)有最高的吸收強度,而Co摻雜系統(tǒng)在可見光范圍內(nèi)吸收強度最高且吸收范圍最大。在可見光區(qū)域,N,Co雙摻雜系統(tǒng)的吸收譜線與Co摻雜