納米結(jié)構(gòu)W及TM摻雜的DMS的結(jié)構(gòu)與磁性.pdf

1、磁性材料的研究一直是很重要的一個領(lǐng)域，特別是材料在納米尺度下的磁性，它們在電子學(xué)領(lǐng)域有非常重要的應(yīng)用。納米磁性在未來半導(dǎo)體材料，高集成化元件中都有重要應(yīng)用，使它成為目前的一個非常活躍的研究領(lǐng)域。在同一種材料上同時使用電子的電荷和自旋的所謂自旋電子學(xué)也成為一個引人注目的研究方向。理論上，對磁性和結(jié)構(gòu)的關(guān)系的研究可以揭示一些神奇的基本物理原理和發(fā)現(xiàn)一些重要的潛在應(yīng)用。密度泛函理論的發(fā)展就為物質(zhì)電子結(jié)構(gòu)性質(zhì)的理論研究打開了一個廣闊的天地，提供

2、了關(guān)鍵的方法步驟。本博士論文的研究工作應(yīng)用基于密度泛函理論的第一原理方法，并在計算中引入軌道—自旋相互作用進(jìn)行極化非共線計算，系統(tǒng)地對W的團(tuán)簇(零維)、W的原子鏈(一維)、W的原子薄片(二維)以及過渡金屬摻雜的稀磁半導(dǎo)體的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性、電子結(jié)構(gòu)性質(zhì)及磁性進(jìn)行了計算，獲得了一些有價值的信息，得到了一些重要的結(jié)果： 1)對零維的Wn團(tuán)簇(n=3～27)的結(jié)構(gòu)性質(zhì)進(jìn)行了研究。通過對結(jié)構(gòu)的優(yōu)化計算，得到了Wn團(tuán)簇(n=3～7)的最低能量結(jié)

3、構(gòu)和(n=8～27)的局域能量極小的典型結(jié)構(gòu)。使用凝膠模型提出了團(tuán)簇的電子組態(tài)，并很好地解釋了幻數(shù)團(tuán)簇的電子數(shù)和結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性；得到并分析了團(tuán)簇的HOMO—LUMO能隙，團(tuán)簇的結(jié)合能、能量的一階和二階差分隨原子數(shù)n變化；得到了團(tuán)簇中原子的成鍵特點(diǎn)隨團(tuán)簇原子數(shù)的變化特征，指出了W團(tuán)簇隨著原子數(shù)的增加很快便出現(xiàn)金屬性等性質(zhì)。 2)系統(tǒng)地研究了W的一維原子鏈的磁性。我們計算了一維線性鏈的鐵磁、反鐵磁和螺旋磁性(自旋波)三種結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性和磁

4、性的變化。研究中，分別作了考慮軌道自旋相互作用和不考慮軌道自旋相互作用兩種情況的計算。結(jié)果顯示，穩(wěn)定的一維W線性原子鏈具有磁性，而且反鐵磁鏈的相對穩(wěn)定性高。原子間距很近時沒有磁矩，而隨著原子間距的增加，原子磁矩在一個很小的變化范圍內(nèi)躍升，最終隨著原子間距的增大趨于單原子磁矩。軌道磁矩在有近鄰原子作用時出現(xiàn)，且極化方向與自旋極化方向相反。穩(wěn)定的W一維反鐵磁鏈具有磁性且具有金屬性，磁矩主要是d—電子的貢獻(xiàn)。隨著原子鏈的原子間距的增加，逐漸從

5、金屬性向半導(dǎo)體性變化，電子的局域程度增加，原子鏈上原子的磁矩變大，同時，s電子對磁矩的貢獻(xiàn)增大。 3)對二維的W原子面的結(jié)構(gòu)與磁性進(jìn)行了計算。對于平面結(jié)構(gòu)，進(jìn)行了從斜方、六角、長方、到正方結(jié)構(gòu)的計算，不同結(jié)構(gòu)下也進(jìn)行了不同的晶格常數(shù)下性質(zhì)的計算。計算的磁性結(jié)構(gòu)包含鐵磁，反鐵磁以及部分近鄰反鐵磁性結(jié)構(gòu)。我們對不同結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性、磁性、電荷密度、電子態(tài)密度以及磁密度進(jìn)行了比較。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，不管是鐵磁，反鐵磁以及部分近鄰反鐵磁性的W平面結(jié)

6、構(gòu)，近六角(由于Jahn—Teller效應(yīng)使其相對于六角結(jié)構(gòu)產(chǎn)生了一些畸變)的平面結(jié)構(gòu)最穩(wěn)定；反鐵磁的結(jié)構(gòu)比鐵磁的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定；鐵磁結(jié)構(gòu)的磁性在某些結(jié)構(gòu)上出現(xiàn)奇異；而穩(wěn)定的W平面結(jié)構(gòu)沒有磁性或磁性很弱；其中正方結(jié)構(gòu)的反鐵磁穩(wěn)定結(jié)構(gòu)表現(xiàn)出弱磁性，其輸運(yùn)電子也表現(xiàn)出弱極化；穩(wěn)定的W原子薄片是金屬性的。在晶格被拉伸的情況下W原子面出現(xiàn)磁性，反鐵磁結(jié)構(gòu)比鐵磁結(jié)構(gòu)更早出現(xiàn)磁性，正方結(jié)構(gòu)比斜方結(jié)構(gòu)更快出現(xiàn)磁性。此外，還比較了W原子面在六角結(jié)構(gòu)和正方結(jié)構(gòu)

7、下的電荷密度、電子態(tài)密度和磁密度，討論了它們的電子結(jié)構(gòu)性質(zhì)，并對自旋軌道作用和非共線耦合的作用進(jìn)行了討論。 4)對3d過渡金屬(TM=V、Cr、Mn、Fe、Co和Ni)摻雜的Ⅲ—Ⅴ半導(dǎo)體(GaAs和GaP)的電磁性質(zhì)進(jìn)行了第一原理的計算。結(jié)果發(fā)現(xiàn)：V、Cr和Mn摻雜的Ⅲ—Ⅴ將出現(xiàn)鐵磁狀態(tài)(FM)，F(xiàn)e摻雜的Ⅲ—Ⅴ將出現(xiàn)反鐵磁狀態(tài)(AFM)，而Co和Ni摻雜時，其磁性不穩(wěn)定。其中Cr摻雜的Ⅲ—Ⅴ將可能是具有較高居里溫度Tc的稀磁半