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随着高新技术的发展和进步,许多新的功能材料不断出现,对这些新型功能材料进行研究一直是人们研究工作中的热点,其中关于稀磁半导体和铁基超导体的研究工作尤为引人瞩目。密度泛函理论作为一种研究多电子体系电子结构的量子力学方法,在材料科学领域一直有着广泛的应用。在本论文中,我们利用第一性原理计算方法研究了一些稀磁半导体材料和铁基超导体材料的性质,特别是与缺陷有关的性质。
稀磁半导体因其同时具有半导体性和磁性在自旋电子学领域中有着广阔的应用前景,而其磁性一般与体系中的过渡金属掺杂原子有着密切的关系。我们首先研究了SiC中3d过渡金属掺杂的情况,发现后半部分的3d过渡金属倾向于在SiC中形成二聚体的微结构。在这种独特的结构下,不同的过渡金属掺杂使体系表现出了不同的磁性,从Co掺杂下的非磁性,到Ni和Cu掺杂下的半金属性,到Fe掺杂下的亚铁磁性。这预示着我们可以通过控制反应条件,得到具有不同磁性的SiC体系,特别是在自旋电子学领域有着巨大应用前景的半金属材料。我们还研究了Co掺杂ZnO体系中的本征缺陷氧空位。我们发现Co掺杂浓度的上升有助于Co-Vo-Co结构的出现,这一现象成功地解释了O的K边XANES谱中边前峰的变化趋势。
铁基超导体是一种高温超导体,被认为是寻找具有更高超导转变温度的超导材料和解开高温超导机制之谜的新的突破口,其母体材料只有在掺杂之后才会出现超导电性。我们系统地研究了F掺杂和O空位对SmOFeAs体系性质的影响。通过对比这两种缺陷对Sm产生的不同影响,我们指出,相比于F掺杂,O空位对SmOFeAs体系的影响更具有空间局域性,它会明显地改变临近的Sm原子的电子结构,降低Sm5d电子的局域性。这一点与F对Sm的d电子数的降低作用一起,影响着Sm的L3边XANES谱中白线峰的强度变化。我们还研究了122体系BaFe2As2中的Zn掺杂和Co、Zn共掺杂效应。通过与1111体系中Zn掺杂效应进行对比,我们指出不同情况下Zn掺杂对铁基超导体所产生的影响并不相同,在一定程度上解释了实验现象的多样性。