自旋電子學材料的第一性原理研究.pdf

1、量子力學告訴我們，電子具有電荷和自旋雙重屬性，但過去的研究主要關(guān)注了電子的電荷屬性，發(fā)展了傳統(tǒng)的半導體學，人們忽視了電子的自旋屬性。近二十年來，人們越來越關(guān)注電子的自旋屬性，發(fā)展了一門新興的學科—半導體自旋電子學。與傳統(tǒng)的半導體器件相比，自旋電子器件有體積小、能耗低、速度快等優(yōu)點，并且能夠發(fā)展集半導體性和鐵磁性為一體的多功能電子器件，具有很大的潛在應(yīng)用價值。稀磁半導體和半金屬鐵磁體是制備自旋電子器件的重要材料，是凝聚態(tài)物理和材料物理研究

2、的一個熱點。 計算機模擬與人工實驗相比，有費用少和時間少等諸多優(yōu)點。隨著量子力學和固體理論等學科的不斷完善，以及計算機性能的飛速發(fā)展，借助材料模擬軟件模擬預(yù)言新材料越來越成熟。本文主要利用基于密度泛函理論的材料模擬軟件Wien2k和CASTEP，對金紅石TiO2基稀磁半導體、堿土金屬氮化物和碳化物、以及半金屬鐵磁體的表面和界面，進行了磁性和電子結(jié)構(gòu)的計算。金紅石TiO2基稀磁半導體的研究表明，金紅石TiO2 摻雜V和Cr 都具有

3、鐵磁性，并且其居里溫度可能在室溫或以上；考慮強關(guān)聯(lián)因素時，摻雜體系從半金屬性轉(zhuǎn)變到了半導體性；氧空位對金紅石TiO2 摻雜Cr的電子結(jié)構(gòu)和磁性有很大影響。對于堿土金屬氮化物，我們的計算發(fā)現(xiàn)食鹽結(jié)構(gòu)的氮化物MX(M=Ca，Sr，Ba;X=N，P，As)中只有CaN、SrN和BaN具有半金屬鐵磁性，而閃鋅礦結(jié)構(gòu)的MX 都具有半金屬鐵磁性；對于堿土金屬碳化物，我們預(yù)言到食鹽結(jié)構(gòu)的SrC和BaC 是半金屬鐵磁體，或至少能分別以PbS和PbSe為

4、襯底外延生長SrC和BaC 半金屬鐵磁薄膜；我們也預(yù)言了外延生長閃鋅礦結(jié)構(gòu)的CaC、SrC和BaC 半金屬薄膜的可能性；另外，居里溫度的計算表明，食鹽結(jié)構(gòu)的SrC和BaC 以及閃鋅礦結(jié)構(gòu)的CaC、SrC和BaC的居里溫度都遠遠超過了室溫。這使這些半金屬體系在自旋電子器件中更加實用。 閃鋅礦結(jié)構(gòu)CaC的(110)、(001)和(111)表面的計算表明，只有(110)面和以C為端面的(111)面維持了半金屬鐵磁性，這為外延生長CaC