缺陷与应变调制ZnO和In2O3半导体d0铁磁性的第一原理计算研究
宽禁带的氧化物半导体是一类重要的半导体自旋电子器件材料。长期以来，科研工作者的研究兴趣主要集中在过渡金属或磁性阳离子掺杂的传统半导体和宽禁带氧化物半导体材料的光催化与光电子特性方面。近十年，人们发现一些非磁性半导体材料，特别是非磁性氧化物半导体材料，即使在未掺入磁性杂质的前提下，也具有室温铁磁性，并且还有可能具有很高的居里温度(Tc)。2005年，英国皇家科学院院士Coey把这类铁磁性命名为“d0-铁磁性”。此类材料的电子结构和磁学性质引起了人们的广泛关注，但是非磁性氧化物半导体中的d0-铁磁性起源一直以来都存在争议，因此，有必要对缺陷与掺杂诱导的非磁性氧化物半导体向铁磁性半导体的转变其机制进行比较深入的研究。
本论文采用第一原理计算方法，以透明导电氧化物半导体ZnO和In2O3为研究对象，通过引入缺陷和C原子掺杂，考察了本征缺陷与非磁性掺杂对氧化物半导体电子结构和d0铁磁性的影响，并从理论上探讨了其磁性交换机制和d0铁磁性的起源，分析了悬挂键在In2O3量子点中的作用，进而探索了应力与应变条件下In2O3:C体系的自旋开关特性。主要的研究工作如下:
(1)通过计算分别研究了仅含本征缺陷的ZnO和In2O3晶体的电子结构与磁属性。电子结构的结果显示:本征P型缺陷诱导的空穴导致在氧离子位置呈现出各向异性的空间态密度分布，而本征N型缺陷诱导的电子则导致在氧离子位置呈现出各向同性的空间态密度分布，且具有类S轨道的特点。在未掺杂磁性离子的情况下，P型缺陷诱导的空穴载流子能够自旋极化，并诱导磁矩，而电子载流子没有自旋极化。说明本征P型缺陷对纯净ZnO和In2O3 d0铁磁性的调节起着关键作用，而其中阳离子空位与氧离子间隙又是未掺杂ZnO和In2O3 d0铁磁性的主要来源。
(2)基于密度泛函理论第一性原理计算方法，我们研究了通过施-受主复合补偿的方法来提高含复合缺陷ZnO的形成能力与结构稳定性，从而达到稳定空穴诱导ZnO的d0铁磁性。通常情况下单缺陷都具有较高的缺陷形成能，特别是含单缺陷的P型透明导电氧化物半导体的形成能相对较高。研究发现复合缺陷GaZn+No在ZnO体系中的形成能与结合能较低，且不会产生额外磁矩，也不会改变与单缺陷VZn或No复合后体系的总磁矩。GaZn+No复合缺陷与单缺陷(VZn或No)复合后形成的三元缺陷的形成能与自旋极化能会不同程度的降低表明:施-受主复合缺陷GaZn+No在一定程度上是可以稳定原体系的磁矩，对稳定空穴诱导ZnO的d0铁磁性具有重要意义。
(3)基于自旋极化密度泛函理论，通过第一性原理自旋态密度计算，发现未掺杂In2O3量子点的磁属性主要来源于量子点表面的悬挂键或量子点内部阳离子空位。In2O3量子点的态密度分析表明:内部不含缺陷In2O3量子点表面阴离子悬挂键是诱导磁矩的主要原因，并且磁矩主要局域在量子点表面的阴离子上，而表面阳离子悬挂键不会诱导磁矩。另外，当In2O3量子点表面所有的悬挂键都被赝氢原子钝化以后，量子点内部阳离子空位对磁属性产生重要影响，阳离子空位产生的空穴诱导磁矩，这些磁矩主要局域在阳离子空位周围的阴离子上，而阴离子空位不会诱导磁矩。
(4)通过第一性原理计算，发现应变可以调节In2O3:C体系的磁属性和电子结构。双C原子替代体材料In2O3中的O原子可以诱导d0铁磁性，其自旋磁矩在压应力下或者不受拉应力作用时大小保持不变(2μB)，然而，当发生2％的体膨胀时，体系总磁矩急剧增加，升高到4μB，并且不再随晶格的继续膨胀而发生改变。电子态密度分析显示，在不受外力或者在压应力作用下，In2O3:C体系的磁矩主要来源于C原子p轨道和O原子p轨道耦合，即p-p耦合机制对磁矩产生作用;当In2O3:C体系存在拉应力时，体系的磁矩则主要来源于C原子sp轨道与O原子p轨道不同程度的耦合。
d0-铁磁性;第一性原理计算;点缺陷;量子点;氧化物半导体
湖南大学
博士
材料物理与化学
彭平
2013
中文
TN304.21
123
2013-11-29（万方平台首次上网日期，不代表论文的发表时间）