【摘 要】
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碳化硅(SiC)是一种宽带隙半导体材料,拥有许多优异的物理特性。随着实验技术的不断提高及理论研究的不断深入,SiC引起了人们极大的兴趣。但是由于传统稀磁半导体中的掺杂同时引入了空穴和自旋,无法实现自旋或者空穴的单掺杂对铁磁性的影响,所以新型稀磁半导体的研究就显得必不可少。本文主要通过基于密度泛函理论第一性原理方法,采用CASTEP(Cambridge Sequential Total Energy
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碳化硅(SiC)是一种宽带隙半导体材料,拥有许多优异的物理特性。随着实验技术的不断提高及理论研究的不断深入,SiC引起了人们极大的兴趣。但是由于传统稀磁半导体中的掺杂同时引入了空穴和自旋,无法实现自旋或者空穴的单掺杂对铁磁性的影响,所以新型稀磁半导体的研究就显得必不可少。本文主要通过基于密度泛函理论第一性原理方法,采用CASTEP(Cambridge Sequential Total Energy Package)软件包对4H-SiC、6H-SiC以及LaAgSO基体材料几何结构进行优化,分析铁磁能量,通过态密度和自旋密度分析铁磁性产生的原因,为实验提供参考。具体研究内容如下:一、通过第一性原理计算了过渡族金属元素(Ni、Cr)和Al共掺杂4H-SiC材料的磁性,并分析了磁性产生的原因。Ni掺杂可以产生铁磁性,是通过Ni:3d-C:2p-Ni:3d的耦合链产生,但是Al或者Si空位的加入则可以使铁磁性消失,转变成顺磁性或者反铁磁性;Cr和Al或者Cr和Si空位共掺杂可以产生铁磁性。二、系统计算了Cr、Fe共掺杂4H-SiC的电子结构和磁性。单一的Cr原子或者Fe原子掺杂可以产生磁性,Cr、Fe共掺杂则可以通过Cr原子、Fe原子以及两者中间的C原子耦合而产生铁磁性。Si空位的引入对Cr、Fe共掺杂的铁磁性影响不是太大,但是可以降低Cr原子和Fe原子的磁矩大小。三、计算了N、Al、Si空位(VSi)共掺杂6H-SiC铁磁性产生原理,具体探讨了VSi在其中所起的作用。在空位掺杂中,Si空位(VSi)的形成能比C空位(VC)低,VSi更加稳定。在N掺杂时,N替换C(NC)的形成能比N替换Si(NSi)低。VSi和NC共掺杂可以产生自旋极化,是VSi邻近的C的2p电子轨道在起作用。引入另一个VSi,结果显示可以引入铁磁性,电荷的加入可以增强铁磁性,是因为电荷的加入增加了载流子的浓度。在中性条件下,Al原子的加入可以增强铁磁性。四、系统研究了V、M(M=Sr,Ba)共掺杂LaAgSO基新型稀磁半导体的磁性机理。本征LaAgSO是非磁性半导体;单一的V原子掺杂可以引入自旋极化,是由V原子以及临近的S原子提供的;两个V原子掺杂可以诱导铁磁性的出现,是通过V:3d-S:3p-V:3d轨道耦合形成的;Sr或者Ba的加入则使这种耦合情况增强,是因为Sr或者Ba的掺杂增加了空穴的浓度,因而增强铁磁性。
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