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随着半导体自旋电子学(spintronics)迅猛发展,稀磁半导体的研究逐渐成为研究的热点.研究表明,稀磁半导体(DMSs)可以在同一器件上同时利用电子的电荷对信息的处理和利用电子的自旋来实现对信息进行存储.具有较高的居里温度,在室温下能够具有铁磁性的半导体,才是理想的稀磁半导体,这样才能有更广泛的应用领域.但目前的实验效果不十分显著且重复性差,大多数的研究是从理论上对其进行预测和分析的.
随着计算机的技术不断发展,其性能不断地提高,通过计算机设计新型功能性材料并进行模拟计算已成为可能.本文就是通过计算机模拟计算,对BN基稀磁半导体的磁性进行了预测,为实验提供理论参考.
本文基于密度泛函理论采用第一性原理方法,首先对本征BN晶胞的几何结构优化及电子结构等方面进行了计算,所得的结果与实验结果极为相似的,并为后面计算有B空位或N空位的BN及过渡金属掺杂BN的计算提供了良好的设置参数.计算表明,理想的本征BN体系不存在自旋极化态,没有磁性.采用超原胞的方法建立含有空位的BN模型,对模型进行了几何结构优化,对其电子结构、态密度进行了计算,计算结果表明,无论含B空位还是含N空位的BN都存在自旋极化态,BN都具有铁磁性.当B空位时,计算超原胞的磁矩为0.96μB,磁性主要来源于空位周围的4个N原子的2p轨道上的电子;当N空位时,磁矩大小为1.04μB,磁性与空位周围的四个B原子的2s和2p轨道上的电子有关.通过计算表明:B空位的形成能小于N空位的形成能.
同样采用超原胞的方法搭建了Cr、Mn、Cu、Pd四种金属分别掺杂BN的体系模型.计算表明这四种体系中都存在自旋极化态,都具有半金属性和铁磁性.计算出四种体系的磁矩大小是不同的:Cr掺杂BN体系超原胞的总磁矩为2.98μB,Cu掺杂BN体系的超原胞总磁矩为2.06μB,Mn掺杂BN体系的超过原胞总磁矩为6.10μB,Pd掺杂BN体系超原胞的总磁矩为3.08μB,其磁性来源主要是由于p-d电子杂化引起的.但在Cr、Mn、Cu掺杂的体系中,其磁性的来源主要是N-2p电子和过渡金属中的3d电子杂化而来的,其中B-2p电子也有一定的贡献;对Pd掺杂体系中,其磁性主要是由N-2p电子和Pd-4d电子杂化而来,其中Pd-p电子有一定的贡献.对四种体系的形成能进行了计算,结果显示这四种体系的形成能的关系是:B15CrN16<B15MnN16<B15CuN16<B15PdN16