對(duì)二氧化鉿材料中缺陷所致磁性的第一性原理研究.pdf

1、為解釋Coey等人在實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)的HfO2的磁性的問題，本文對(duì)HfO2體材料和(110)面薄膜材料中的原子缺陷(氧空位缺陷)和電子缺陷(帶正電荷的體系或帶負(fù)電荷體系)對(duì)材料的電子結(jié)構(gòu)和磁性性質(zhì)的影響進(jìn)行了計(jì)算和討論。
　　 在HfO2的體材料中，必須要氧空位缺陷和電子缺陷同時(shí)作用才能導(dǎo)致局域磁矩的產(chǎn)生。氧空位的作用在于使材料中殘留兩個(gè)電子，這兩個(gè)電子在禁帶中產(chǎn)生缺陷能級(jí)，并分別以上自旋和下自旋的方式填充到這個(gè)缺陷能級(jí)上。由于這時(shí)上

2、下自旋態(tài)的電子填充數(shù)相等，此時(shí)材料不具有局域磁矩。在帶正電荷的體系情況下，由于滿足Stoner模型中的自旋劈裂條件，本該同時(shí)填充一個(gè)上下自旋電子的缺陷能級(jí)發(fā)生自旋劈裂，而由于帶正電荷的體系使體系缺少一電子，從而較高的那個(gè)缺陷能級(jí)未被占據(jù)。上下自旋電子的占據(jù)數(shù)不同，在材料中引起局域磁矩。而在帶負(fù)電荷體系情況中，在原來的導(dǎo)帶底位置上出現(xiàn)一個(gè)新的能級(jí)，被捕獲的電子以自旋向上的方式填充這個(gè)能級(jí)，同樣產(chǎn)生局域磁矩。
　　 在(110)面的

3、薄膜中，單純的帶正電荷的體系或者帶負(fù)電荷體系都可單獨(dú)地在價(jià)帶或?qū)Мa(chǎn)生上下自旋數(shù)目不等的電子填充，從而在材料中產(chǎn)生磁矩。這種單純的帶正電荷的體系或者帶負(fù)電荷體系在D. Munoz Ramo的文獻(xiàn)[3]中被稱作“self-trap”，Ramo認(rèn)為這種self-trap可以自發(fā)地發(fā)生在無原子缺陷的晶體中。此外，帶正電荷的體系加上薄膜表面氧原子空位的共同作用會(huì)使得材料的帶隙變得很小，此時(shí)產(chǎn)生的材料由于同時(shí)具有局域磁矩和半導(dǎo)體性質(zhì)，有望成為自旋