半导体中自旋相关性质的第一性原理研究
文献类型：学位论文
| 作者 | 王晓芳 |
| 答辩日期 | 2009-12-30 |
| 文献子类 | 博士 |
| 授予单位 | 中国科学院研究生院 |
| 导师 | 陈效双 |
| 关键词 | 自旋相关 磁性半导体 第一性原理 共掺杂 |
| 学位专业 | 微电子学与固体电子学 |
| 英文摘要 | 自旋电子学向人们展示了诱人的应用前景，但在制造自旋器件之前，该领域许多悬而未决的问题(如磁性起源、铁磁耦合机制等)需要进一步探讨和解决，本论文利用基于密度泛函理论的第一性原理计算方法，系统地研究了GaAs，ZnO和TiO2中的自旋相关性质和掺杂微观机理，研究的主要内容包括：1. 研究了双层δ-Mn掺杂的GaAs/(Ga, Mn)As 超晶格中两单层Mn间的自旋耦合随着层间距的变化关系。结果表明：两单层Mn间的自旋为完全铁磁耦合时，体系处于最稳定状态。Mn的层间铁磁耦合随着GaAs间距的增大而呈现出单调减弱的趋势。通过对体系进行定量自由载流子（电子或空穴）的注入，从第一性原理证实了GaAs/(Ga, Mn)As 超晶格中磁性原子间的自旋耦合机制。GaAs/(Ga, Mn)As 超晶格中两单层Mn间的铁磁耦合是通过自由空穴来调制。另一方面，定量得到了极化载流子在超晶格空间中的分布，其主要集中在Mn层附近。此研究结果对探讨利用目前成熟的能带和波函数工程去调控自旋相关性质供了指导。2. 研究了δ-Mn，Be共掺杂的GaAs/AlAs超晶格的几何结构、电子结构和自旋耦合等基本性质。通过改变δ-Mn，Be层在GaAs势阱和AlAs势垒中的位置，获得了当δ-Be在势垒边缘而δ-Mn在(1/8)L势阱位置时体系的铁磁耦合最强，铁磁转变温度最高等理论最佳参数。从体系的电子结构和能态密度可知，无论掺杂位置如何，体系皆呈现铁磁行为且是半金属性质，是自旋电子注入“源”的潜在材料。3. 研究了新型C掺杂ZnO-( )薄膜体系的磁性质，探讨了体系的自旋耦合机理。C掺杂ZnO-( )薄膜体系的基态为铁磁性，且呈现半金属性。单个C原子占据在薄膜的亚表面位置，但随着掺杂浓度增大，C原子更倾向于团聚在Zn原子周围而占据在表面位置。从第一性原理证实了C掺杂ZnO薄膜体系自旋耦合由附近Zn 4s3d-C 2s2p(pd杂化)和O 2s2p-C 2s2p(pp耦合)的共同作用来调制，但O 2s2p-C 2s2p的强烈pp耦合为主要作用。进一步拓展DMS材料，研究了C掺杂在锐钛矿和金红石TiO2中的铁磁行为。在C掺杂锐钛矿TiO2中，C原子间的自旋耦合与原子间距有很大关系。当C~C间距小于典型的CC双键长度1.34 Ǻ时，体系呈现出非磁性状态，C原子趋向于通过CC双键形成团簇；当C~C间距处于3.8-5.5 Ǻ时，体系呈现出铁磁或反铁磁性状态。当进一步增加C~C间距时，体系呈现出顺磁状态。获得了体系中掺杂磁性原子间的耦合机理。在金红石结构TiO2中，当C原子团聚在Ti原子周围且占据在母体4个O原子形成的长方形基平面内时，体系铁磁耦合强度最大，其自旋耦合机制与锐钛矿C-TiO2类似。 |
| 学科主题 | 红外基础研究 |
| 公开日期 | 2012-09-11 |
| 源URL | [http://202.127.1.142/handle/181331/5186]  |
| 专题 | 上海技术物理研究所_上海技物所 |
| 推荐引用方式 GB/T 7714 | 王晓芳. 半导体中自旋相关性质的第一性原理研究[D]. 中国科学院研究生院. 2009. |
入库方式： OAI收割
来源：上海技术物理研究所
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