aln基稀磁半导体的第一性原理计算

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1、太原理工大学硕士学位论文AIN基稀磁半导体的第一性原理计算摘要传统的电子元件，比如二极管和三极管，它们的信息载体都是电子电荷，电子的自旋没有被利用。近些年来，半导体自旋电子学(spintronics)的研究表明，稀磁半导体(DMS)能够同时利用电子的电荷和自旋来进行信息的处理和存储，在磁学、光学、电学等领域具有广泛的应用前景。理想的稀磁半导体应具有良好的室温铁磁性，但目前由于实验重复性差等原因，一直未能得到广泛的应用，这就首先需要从理论上对其进行预测和分析。随着科学技术的发展，计算机的性能得到了极大的提高，使得通过计算机模拟设计新型功能材料成为可能。本文的工作是借助计算机模拟预测了具有良

2、好室温铁磁性的新一代AIN基稀磁半导体材料，为实验提供了理论指导。采用基于密度泛函理论的第一性原理方法，首先计算了A1N晶胞的几何结构和电子结构，得到了与实验相似的结果，并为后面的计算提供了良好的参数设置。随后采用超原胞方法搭建了A1N的空位模型，通过对计算结果的分析可知，含Al空位的AIN存在自旋极化态，可以使AIN产生半金属铁磁性，磁矩为1．0btB，主要来自于空位周围的四个N原子的P轨道电子，而本征态和N空位的A1N均不存在自旋极化态，没有磁性；AI空位的形成能低于N空位的形成能，空位也不会引起AIN光学性能的根本性变化。通过对采用超原胞方法搭建的AIl5MNl6(M=Mg、Cu、

3、Zn、Pd)四种体1太原理工大学硕士学位论文系模型的计算，得知这四种体系都存在自旋极化态，均具有半金属铁磁性，但磁矩大小和来源均有所不同。AIl5MgNl6和A115ZnNl6的磁矩均为1．0／．tB，主要来源于Mg或Zn周围的四个N原子的P轨道电子，而All5CuYl6和A115PdNl6的磁矩均为2．0№，主要来源于Cu或Pd的d轨道电子与N原子的P轨道电子发生的杂化作用，且Mg、Cu、Zn、Pd掺杂不会引起A1N光学性能的根本性变化；这四种体系的形成能关系应为A115MgNl6

4、场近似的海森堡模型理论推断出，四种体系的居里温度关系为A115CuNl6>A115PdNl6>AIl5MgNl6>A115ZnNl6，且都大于350K，具有良好的室温铁磁性，可以作为理想的稀磁半导体材料。关键词：A1N，自旋电子学，密度泛函理论，电子结构，铁磁性U太最理工大学硕士学位论文THEFIRST-PRINCIPLESOFALNBASEDDILUTEDMAGNETICSEMICoNDUCTORSABSTRACTTheinformationcarderoftraditionalelectroniccomponentssuchasdiodeandaudion，hasbeenelectr

5、oniccharge，buttheelectronicspillhasneverbeenconsidered．Inrecentyears，studiesonthesemiconductorspintronicsindicatethatthedilutedmagneticsemiconductors(DMSs)callbeusedtomanageandstoreinformationbymeansofelectronicchargeandspin，andhavingextensiveapplicationinmagnetics，opticsandelectrics．TheidealDMSs

6、shouldexhibitferromagnetismatroomtemperature，However,uptonow,DMSshavegotlialepracticalapplicationsbecauseofthepoorreproducibilityoftheirpreparation．ThetheoreticalcalculationisthusnecessaryfortheproductionandanalysisofDMSs．Withthedevelopmentofscienceandtechnology,thecapabilityofcomputersbecomesmor

7、eandmoreadvanced，whichmakesitpossibletodesignnewfunctionalmaterialsbycomputersimulations．Inthispaper,ourpurposewastopredictnewA1N—basedDMSs，whichexhibitferromagnetismatroomtemperature，bycomputersimulations，anddirectsam