掺杂二维GaN材料电子结构和磁学性质的研究
本文基于密度泛函理论的第一性原理计算方法，对碱金属（Li，Na，K和Rb）和碱土金属（Be，Mg和Sr）原子以及ⅠB族（Cu，Ag和Au）和ⅡB族（Zn，Cd和Hg）过渡金属原子掺杂二维GaN单层体系的室温铁磁性、磁性起源机理以及磁性交换机制进行研究，其研究结果为低维稀磁半导体材料在自旋电子器件中的应用提供理论参考，主要内容如下： 对于碱金属（Li，Na，K和Rb）和碱土金属（Be，Mg和Sr）替位掺杂二维GaN单层的体系，研究了掺杂体系的结构稳定性、电子结构和磁性机理。结构优化显示，仅Be原子掺杂体系掺杂原子仍处于GaN单层平面内，其余掺杂体系掺杂原子均略微隆起，而且形成能对比结果显示富N条件掺杂更易实现。碱金属和碱土金属掺杂体系的总磁矩分别为2和1B?，与其掺杂引入的空穴数量相符，其主要由杂质原子最近邻N原子贡献，体系其他N原子也有少量贡献。这种磁矩分布的强局域性与扩展性既保证了体系稳定的自旋极化基态，也促成了局域磁矩之间的长程磁性耦合。能带结构表明，掺杂导致的空穴为体系禁带引入了受主能级，使得体系带隙减小，并使碱金属掺杂体系呈现磁性半导体性质，碱土金属掺杂体系呈现半金属性质。磁性耦合计算中，所有掺杂体系均存在长程铁磁耦合，而长程铁磁耦合是由自旋极化空穴在p-p杂化相互作用的影响下呈现相同的自旋方向实现的。采用海森堡平均场模型对所有掺杂体系居里温度进行了估算，发现Li，Be，Mg和Sr掺杂体系的长程铁磁耦合态居里温度均高于室温，尤其是Be，Mg和Sr掺杂体系呈现100%自旋极化的半金属性，表明碱金属和碱土金属原子掺杂的二维GaN单层是优良的室温铁磁性备选材料。 对于ⅠB族（Cu，Ag和Au）及ⅡB族（Zn，Cd和Hg）过渡金属原子掺杂二维GaN单层的体系，研究了其结构稳定性和电子结构，并重点对比讨论了含部分填充d壳层磁性离子掺杂体系与非磁性离子掺杂体系磁性起源的区别，同时分析了两类掺杂体系局域磁矩之间耦合作用对体系宏观铁磁性的影响。结构优化结果显示，仅Zn原子掺杂体系掺杂原子仍处于GaN单层平面内，其余掺杂体系掺杂原子均略微隆起，而且形成能对比结果显示富N条件掺杂更易实现。ⅠB族及ⅡB族过渡金属原子掺杂体系的总磁矩分别为2和1B?，其中ⅠB族掺杂体系总磁矩来源于杂质离子d8电子构型引入的2个空穴，并与周围N原子杂化而主要分布于杂质原子与其最近邻N原子上，而ⅡB族掺杂体系总磁矩来源于杂质原子确少1个价电子，从而诱导其最近邻N原子产生空穴，所以主要由杂质原子最近邻N原子贡献。磁性耦合计算结果显示，相比于ⅠB族掺杂体系而言，ⅡB族掺杂体系自旋极化空穴扩展到了整个体系，并在p-d/p-p杂化相互作用的影响下呈现相同的自旋取向，而这是促成局域磁矩之间的长程磁耦合重要因素，因此其更易形成长程铁磁耦合。采用海森堡平均场模型对所有掺杂体系居里温度进行了估算，发现Zn，Cd和Hg的长程铁磁耦合态居里温度均高于室温且体系呈现100%自旋极化的半金属性，表明ⅡB族过渡金属原子掺杂的二维GaN单层是理想的室温铁磁性备选材料，有望在自旋电子学的研究中发挥重要作用。
自旋电子器件;低维稀磁半导体材料;二维氮化镓单层;电子结构
西安石油大学
硕士
物理电子学
陈国祥
2020
中文
TN304.23
2020-09-27（万方平台首次上网日期，不代表论文的发表时间）