Co、Mn掺杂ZnO稀磁半导体特性研究

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1、分类号TN304密级公开UDC621编号10299S1403058JIANGSUUNIVERSITY硕士学位论文Co、Mn掺杂ZnO稀磁半导体特性研究CHARACTERISTICSTUDYONCO,MNDOPEDZNO-BASEDDILUTEDMAGNETICSEMICONDUCTORS指导教师杨平作者姓名刘乔亚申请学位级别硕士学科(专业)机械电子工程论文提交日期2017.4论文答辩日期2017.6学位授予单位和日期江苏大学年月日答辩委员会主席评阅人2017年6月万方数据万方数据万方数据江苏大学硕士学位论文摘要自旋电子器

2、件由于具有体积小，速度快，非易失性等优点，可以极大提高信息的处理速度。稀磁半导体作为自旋电子器件中的关键材料，目前已经引起了电子学、物理学及材料科学等多学科研究者的关注。ZnO基稀磁半导体由于具有性质稳定、原料丰富、可以实现高浓度掺杂等优点，并且在光、电、磁等领域存在众多优异性质，已经成为了稀磁半导体研究的热门领域，并取得了一定的进展。但在众多的理论计算和实验研究成果中，仍然存在很多亟需解决的问题，如实验重复性差、居里温度低、磁性起源机理不明确等。为寻求具有高居里温度的ZnO基稀磁半导体，本文采用了基于密度泛函理论(DF

3、T)的第一性原理研究方法，计算并讨论了Co、Mn单掺杂和共掺杂ZnO基稀磁半导体的磁稳定性和磁性起源机理，并研究了非金属元素和本征缺陷的引入对Co-Mn共掺杂ZnO的影响。得到研究结果如下：（1）分别构建了2×2×2的Co单掺杂ZnO和Mn单掺杂ZnO超晶胞模型，对它们在五种不同掺杂位置下的构型进行计算和分析。结果表明：Co单掺杂ZnO和Mn单掺杂ZnO都不具有室温铁磁性。系统的磁稳定性与杂质元素的掺杂位置有很大关系，其中Co掺杂ZnO在两种构型下表现出铁磁性，另外三种构型下表现出反铁磁；Mn掺杂ZnO五种构型均表现出反

4、铁磁性。从能量角度来看，Co掺杂ZnO和Mn掺杂ZnO均趋向于紧密构型，即当掺杂原子间距离较近时，体系基态能量更低、结构更稳定。（2）根据掺杂位置的分析结果，构建了紧密构型下的Co-Mn共掺杂ZnO模型。对其磁性和电子特性的计算和研究表明：相比于单掺杂体系，Co-Mn共掺杂ZnO表现出了稳定的铁磁性，并且具有远高于室温的居里温度。其磁性起源主要是Co和Mn的3d电子通过邻近O原子发生的交换作用。（3）为研究实际制备中常见的空位缺陷和杂质对ZnO基稀磁半导体的影响，本文在Co-Mn共掺杂ZnO体系中引入了空位及非金属元素的

5、掺杂缺陷。结果显示，当Co-Mn共掺杂ZnO中引入O缺陷、C元素和N元素后，体系从铁磁稳定转变为反铁磁稳定。从而表明在Co-Mn共掺杂ZnO中，O缺陷、C元素和N元素的引入不利于形成室温铁磁体，在制备过程中要避免这些杂质的I万方数据Co、Mn掺杂ZnO稀磁半导体特性研究产生。Zn空位的引入对于Co-Mn共掺杂ZnO的磁性和居里温度有明显的提高。具体表现在：增强了邻近O原子和Co原子的磁矩，但对Mn原子的磁矩略有削弱。体系自旋劈裂的产生除Co-3d、Mn-3d电子的共同作用外，Zn空位的引入也大大加强了O-2p在费米能级处

6、的自旋劈裂。关键词：稀磁半导体，自旋电子器件，ZnO掺杂，磁性，电子结构，居里温度II万方数据江苏大学硕士学位论文ABSTRACTSpintronicdevicescanincreasethespeedofinformationprocessingsubstantially,becauseoftheadvantagesofsmallvolume,highspeedandnonvolatile.Asthekeymaterialinspintronicdevices,dilutedmagneticsemiconductor(

7、DMS)hasraisedgreatattentionamongtheresearchersinelectronics,physicsandmaterialscience.ZnObasedDMShastheadvantagesofstableproperty,abundantresourceandtherealizationofhighdopingconcentration.Ithasmanyoutstandingpropertiesintheareasofoptics,electricityandmagnetics.T

8、herefore,ZnObasedDMShasbecomeacriticalareainthestudyofDMS.Untilnow,thetheoreticalandexperimentalresearchhasachievedcertainprogress.However,therearestillsomepro