阳离子空位磁矩起因探讨

运用群论和分子轨道理论的方法, 系统地研究了非掺杂磁性半导体中阳离子空位产生磁矩的原因, 并用海森堡模型阐明了磁矩之间的交换耦合机理. 研究发现: 阳离子空位磁矩的大小与占据缺陷能级轨道的未配对电子数有关, 而缺陷能级的分布与空位的晶场对称性密切相关; 通过体系的反铁磁状态和铁磁状态下的能量差估算交换耦合系数J₀, 交换耦合系数J₀的正负可以用来预测磁矩之间的耦合是否为铁磁耦合:J₀>0, 则表明磁矩之间的耦合为铁磁耦合, 反之为反铁磁耦合. 最后指出空位的几何构型发生畸变(John-Teller效应)的原因: 缺陷能级轨道简并度的降低与占据缺陷能级轨道的电子的数目有直接的关系.     

非掺杂锐钛矿相TiO_2铁磁性的第一性原理研究

运用第一性原理的方法研究了锐钛矿相TiO_2中O空位(V_o)和Ti空位(V_(Ti))的电子结构和磁学性质.计算结果表明,单独的V_o并不会诱发局域磁矩,V_(Ti)可以产生大小为4μB(1μ=9.274×10~(-21)emu,CGS)的局域磁矩,主要分布在其周围的0原子上.这两种缺陷产生局域磁矩的原因在文中做了详细的介绍.此外,由两个V_(Ti)诱发的局域磁矩之间的磁耦合相互作用为铁磁耦合,其交换耦合系数J_0为88.7 meV,意味着V_(Ti)间的铁磁耦合可以持续到室温.虽然V_o并不会产生局域磁矩,但是引入V_o可以进一步提升两个V_(Ti)之间的耦合强度,这可以对非掺杂锐钛矿结构的TiO_2体系中铁磁性的来源作出解释:V_(Ti)产生了局域磁矩,而V_o增强了V_(Ti)间长程的铁磁耦合相互作用.此外,还提出了局域磁矩之间耦合的第二类直接交换作用模型.     

氮掺杂的金刚石磁性研究

采用第一性原理计算方法研究金刚石中由空位或者N掺杂引起的磁特性. 发现-1价和-2 价的碳空位能分别产生3 μ_B和2μ_B的磁矩; -2价的碳空位能够引发长程有序的铁磁耦合状态, 而-1价的碳空位更倾向于反铁磁耦合.掺杂N元素能有效地控制空位的荷电状态及相应的磁相互作用, 这一结果为在金刚石中实现非过渡族金属掺杂的铁磁性提供了一条新的路径. 关键词： 第一性原理计算 氮掺杂 金刚石 磁性     

含空位二维六角氮化硼电子和磁性质的密度泛函研究

基于密度泛函理论的第一性原理计算, 研究了含B原子空位(V_B), N原子空位(V_N), 以及含B–N键空位 (V_B+N)缺陷的二维氮化硼(h-BN)的电子和磁性质. 在微观结构上, V_B体系表现为在空位附近的N原子重构成等腰三角形, V_N体系靠近空穴的B 原子形成等边三角形, V_B+N体系靠近空穴处的B和N原子在h-BN平面上重构为梯形. 三种空位缺陷都使h-BN的带隙类型从直接带隙转变为间接带隙. V_B体系的总磁矩为1.0 μ_B, 磁矩全部由N原子贡献. 其中空穴周围的三个N原子磁矩方向不完全一致, 存在着铁磁性和反铁磁性两种耦合方式. 对于V_N 体系, 整个晶胞内的总磁矩也为1.0 μ_B, 磁矩在空穴周围区域呈现一定的分布. 关键词： 二维h-BN 空位 电子结构 磁性     

氧空位对Co掺杂TiO2稀磁半导体中杂质 分布和磁交换的影响

本文使用基于密度泛函理论的第一性原理方法研究了Co掺杂TiO₂稀磁半导体中氧空位对体系能量和磁性的影响. 通过对总能量的计算发现当引入氧空位后近邻杂质体系能量高于均匀掺杂体系, 同时氧空位易在Co近邻位置富集. 进而发现氧空位的存在及其占位可以影响Co离子间的磁交换, 近邻Co离子体系下氧空位的引入使Co离子间的铁磁耦合减弱; 非近邻Co离子体系下, 底面氧空位使Co离子间呈反铁磁耦合而顶点氧空位使Co离子间呈铁磁耦合. 总之, 氧空位的存在对Co掺杂TiO₂材料的能量及磁性都有较大影响.     

ZnO1-xCx稀磁半导体的磁特性的第一性原理和蒙特卡罗研究

利用第一性原理计算得到C掺杂ZnO的电子结构,发现系统具有半金属的电子结构.从态密度的分析可以看到Zn-3d和C-2p电子具有强烈的杂化作用,这是体系具有相对稳定铁磁基态的原因.利用第一性原理得到的磁性耦合强度并结合蒙特卡罗模拟得到了C掺杂浓度为555%,833%,125%的ZnO_1-xC_x分别具有210 K,260 K,690 K的居里温度.同时,详细地分析了C掺杂引起的电子转移和C,Zn,O的s,p和d电子的自旋向上和自旋向下电子数的变化.通过比较研究,发现ZnO_1-xC_x的局域磁矩主要来源于Zn-3d 电子和C-2p 电子之间的相互作用,而局域磁矩耦合倾向于RKKY耦合. 关键词： 1-xC_x')" href="#">ZnO_1-xC_x 磁性 第一性原理 蒙特卡罗模拟     

金红石TiO_2本征缺陷磁性的第一性原理计算

基于密度泛函理论的平面波超软赝势方法模拟计算了金红石相TiO_2的四种本征缺陷(氧空位、钛空位、钛间隙缺陷、氧间隙缺陷)和两种复合缺陷(氧空位与氧间隙复合缺陷、钛空位与钛间隙复合缺陷)的铁磁特性.结合态密度、电子分布及晶体结构变化分析可知,四种本征缺陷均会在系统内引入缺陷态.氧空位、钛间隙缺陷使费米面升高,引起自旋极化,引入磁矩分别为1.62μB与3.91μB;钛空位的缺陷态处于价带顶,使费米面进入价带,表现出明显的p型半导体特性,引入磁矩约为2.47μB;氧间隙缺陷引入缺陷态但仍然处于自旋对称状态,费米面略微下降;氧空位与氧间隙复合缺陷使费米面上升的程度比单个氧空位时大,模拟的超晶胞保持了氧空位的铁磁特性,大小为1.63μB;钛空位与钛间隙复合缺陷以反铁磁方式耦合,但超晶胞仍具有一定的铁磁特性.     

新型Heusler合金RuMn2Sn的磁性形状记忆的第一性原理研究

采用基于密度泛函理论的第一性原理方法,对新型Heusler合金RuMn₂ Sn的晶体结构、电子结构、磁性、四方变形等性质进行了系统的研究.研究结果表明:1)在奥氏体态下,磁性原子Mn对体系总磁矩的贡献最大,其中Mn（A）和Mn（B）原子磁矩的值不等并且呈反平行耦合,导致RuMn₂ Sn具有稳定的亚铁磁基态,该结果与实验一致;2)由XA型立方结构至四方结构的四方变形中,发现c/a约为1.23处存在一个能量更低的稳定的马氏体相,其呈现反铁磁的特性;3)在奥氏体态和马氏体态下,Mn（A）和Mn（B）原子之间弱的d-d直接交换作用是维持它们之间亚铁磁和反铁磁耦合的主要原因.根据上述计算结果,预测RuMn₂ Sn具有良好的磁性形状记忆效应.     

准周期层状铁磁超晶格的实空间重整化群方法

本文用实空间重整化群方法讨论了准周期层状铁磁超晶格的磁自旋波,用Reduce语言推导了decimation变换公式,从而求得了局域格林函数、局域态密度和约化磁矩。发现局域态密度的带宽和约化磁矩与最近邻相互作用J₁、J₂及格点自旋s_a、s_b密切相关。     

La0.7Sr0.3-x□xCoO3(0≤x≤0.2)钴氧化物中锶空位诱导的自旋态转变效应

研究了锶空位对La_0.7Sr_0.3-x_xCoO₃ (0≤x≤0.2)多晶钴氧化物结构、磁性和输运性质的影响.结果表明：随着锶空位浓度x的增大,A位阳离子无序度增大,导致铁磁双交换作用减弱及反铁磁超交换作用增强,两者相互竞争,出现团簇自旋玻璃态;空位浓度超过10%后,Co—O键长迅速减小,导致晶体场劈裂能加大,大部分三价钴离子以低自旋态出现,系统基态为类超顺磁态, 关键词： 空位掺杂 钴氧化物 自旋转变     

空位的第一性原理及经验势函数的对比研究

利用第一性原理及Stillinger-Weber（SW）,EDIP和Tersoff经验势函数对比研究了硅中单空位(V₁)、双空位(V₂)和六边形空位环(V₆)的结构特性及形成能.讨论了经验势函数描述空位时的优点和缺点.结果发现,第一性原理方法可以精确描述空位的原子结构及能量特性,而短程有效的经验势函数无法描述空位所固有的量子效应,如Jahn-Teller变形等.另外,由于经验势函数自身的缺陷,EDIP和T3无法应用于空位结构特性的计算.虽然 关键词： 空位 第一性原理 经验势函数     

铁磁/超导/铁磁异质结中的态密度谱和局域磁矩

通过自洽求解Bogoliubov-de Gennes(BdG)方程研究不同交换场下铁磁和超导之间的相互作用.我们发现超导体内的自旋单态能够穿透进入铁磁体并能在铁磁体内产生一个"子能隙".不同自旋的"子能隙"随着铁磁交换场的增加会在能谱中发生相对移动,形成各种不同结构的态密度.另外,铁磁体的反邻近效应能够在超导区域引起一个局域磁矩.该磁矩会随着铁磁交换场的增加由负变正,这与界面附近超导和铁磁之间的相互竞争有关.     

二氧化铈基稀磁氧化物的第一性原理研究

基于第一性原理的计算方法研究了纯CeO_2、Co掺杂CeO_2和同时引入氧空位Vo和Co掺杂的CeO_2稀磁半导体体系.通过计算体系的能带结构和态密度,探讨了该体系磁性产生的机制.计算发现,纯CeO_2体系不具有磁性;没有氧空位Vo的Co掺杂CeO_2体系中,Co离子之间通过O原子发生超交换反铁磁耦合,体系无铁磁性;当氧空位Vo和Co离子同时存在于CeO_2体系中时,Co离子之间通过氧空位Vo发生铁磁耦合,该体系表现出铁磁性能.另外,由氧空位Vo诱导的Co离子之间的铁磁耦合不仅发生在紧邻的两个Co离子,而且可以扩展到几个原子距离的长度.计算结果证明了氧空位Vo诱导铁磁性耦合机制.本文工作将为CeO_2基稀磁半导体体系制备与磁学性质的研究提供支持.     

改善Si3N4俘获层过擦现象的第一性原理研究

采用第一性原理方法对如何改善电荷俘获存储器的过擦现象进行了研究. 过擦是由于氮空位中Si原子对电荷的局域能力弱导致, 因此, 在Si₃N₄超胞中分别建立了以C, N, O替换氮空位中的Si原子的缺陷结构作为本文的研究模型. 分别计算了擦写之后体系的巴德电荷分布、相互作用能、态密度, 借以分析替位原子对过擦的影响. 巴德电荷分布的计算结果表明, Si₃N₄在O替位128号Si后的过擦现象被明显改善; C替位128号Si也可以改善过擦, 但由于C替位对电荷的局域作用变弱, 不利于电荷的存储实现; N替位128号Si则不能改善过擦; 而在162和196号Si位置, 三种原子的替换均无法改善过擦现象. 相互作用能的研究表明, 在128号Si位置, 三种原子都能够和氮空位形成团簇, 在体系中稳定存在. 特别地, O替位Si后, 体系中两缺陷的相互吸引作用最弱, 从而写入的电荷能够短暂的打破O团簇的稳定性, 实现电荷重构, 将电荷局域在O团簇周围. 此外, 态密度的分析结果表明O在128号Si位置能够在Si₃N₄禁带中引入深能级缺陷, 深能级局域电荷的能力强. 以上分析证明, O替位可以很好的改善Si₃N₄中的过擦现象. 本文的研究结果为电荷俘获存储器改善过擦提供了一种方法, 对提高器件的电荷保持特性和优化存储窗口具有指导意义.     

含铅空位的PbWO4晶体光学性质及其偏振特性的研究

利用完全势缀加平面波局域密度泛函近似，计算了含铅空位的PbWO₄（PWO）晶 体的电 子结构，模拟计算了复数折射率、介电函数及吸收光谱的偏振特性. 比较含铅空位的PWO晶 体与完整的PWO晶体的吸收光谱及其偏振特性，得到与铅空位相关的吸收光谱及其偏振特性 ，计算结果与实验结果基本相符. 计算得到的含铅空位的PWO晶体的光学偏振特性反映了PWO 晶体的结构对称性. 计算结果表明PWO晶体中350，420，550和680 nm的吸收带的出现与PWO 晶体中铅空位的存在直接相关. 关键词： 4晶体')" href="#">PbWO₄晶体 电子结构 光学性质 铅空位     

Co掺杂(ZnO)12团簇的结构和磁性质

采用第一性原理密度泛函理论系统地研究Co原子单掺杂和双掺杂(ZnO)₁₂团簇的结构和磁性质.考虑三种掺杂方式:替代掺杂,外掺杂和内掺杂.首先比较各种掺杂团簇的稳定性.结果表明,不管是单掺杂还是双掺杂,外掺杂团簇都是最稳定结构.在结构优化的基础上,对掺杂的(ZnO)₁₂团簇进行磁性计算.发现团簇磁矩主要来自Co-3d态的贡献,4s和4p态也贡献了一小部分磁矩.由于轨道杂化,相邻的Zn和O原子也产生少量自旋.Co原子之间的磁性耦合由直接的Co-Co反铁磁耦合和Co和O原子之间通过p-d杂化产生的铁磁耦合这两种相互作用的竞争决定.研究发现外双掺杂团簇存在铁磁耦合,在纳米量子器件有潜在的应用价值.     

高氧空位简并锐钛矿TiO2半导体电子寿命的第一性原理研究

为了研究锐钛矿TiO₂晶体中高氧空位浓度对电子寿命的影响,利用基于局域密度泛函理论框架下的广义梯度近似平面波超软赝势方法, 用第一性原理对含高氧空位浓度的锐钛矿TiO₂晶体进行了结构优化处理、能带分布和态密度分布计算, 表明在温度一定和高氧空位浓度的条件下, 锐钛矿TiO₂的电子寿命随氧空位浓度的增大而减小;电子浓度的大小对电子寿命无影响.同时,锐钛矿TiO₂晶体中高氧空位浓度时,发现有莫特相变的现象. 关键词： 高氧空位 2半导体')" href="#">锐钛矿TiO₂半导体 电子寿命 第一性原理     

脱氧La0.5Ca0.5MnO3样品的铁磁-反铁磁转变和电阻率变化

研究了氧空位对La_0.5Ca_0.5MnO₃ （LCMO）多晶块材的电输运和磁性质的影响. 随着氧空位的增加, 样品在高温段的电阻率一直增加, 并满足绝热小极化子模型, 而低温段的电阻率先下降后上升, 并出现明显的dR/dT>0的行为, 直至最后变为绝缘的. 氧空位的增加抑止了反铁磁相的出现, 使得脱氧的LCMO样品不发生反铁磁转变, 进一步增加氧空位则会抑制铁磁相. 关键词： 0.5Ca_0.5MnO₃')" href="#">La_0.5Ca_0.5MnO₃ 反铁磁相变 铁磁相变 脱氧     

Cr/Ru/PtCo/Ru/PtCo/Ru介质中底层Ru厚度对磁记录特性影响的研究

讨论了Cr/Ru（1）/PtCo（稳定层）/Ru（2）/PtCo（记录层）/Ru（3） 结构的矫顽力Hc_c与层间反铁磁耦合交换场Hex_ex随Ru（1）与Ru（2）厚度变 化的规律.研究发现 ，样品的矫顽力及交换场随Ru（1）厚度增加而增大， 这可能是由Ru（1）hcp结构引起的. 矫顽力及交换场在Ru（2）厚度为08nm处有峰值. 关键词： 磁记录 反铁磁耦合     

空位及氮掺杂二维ZnO单层材料性质:第一性原理计算与分子轨道分析

采用基于密度泛函理论的第一性原理计算方法,系统地研究了带缺陷的二维类石墨烯结构的ZnO(graphenelike-ZnO,g-ZnO)的几何结构、电子结构、磁性性质和吸收光谱性质.研究的缺陷类型包括锌原子空位(VZn_g-ZnO)、氧原子空位(VO_g-ZnO)、氮原子取代氧原子(NO_g-ZnO)和表面吸附氮原子(N@g-ZnO).研究发现:NO_g-ZnO体系和N@g-ZnO体系形变较小,而空位体系会引入较大的形变;g-ZnO本身无磁矩,引入Zn空位后,VZn_g-ZnO体系总磁矩为2.00μB;VO_g-ZnO体系无磁矩,但N掺杂后的NO_g-ZnO体系和氮吸附的N@g-ZnO体系的总磁矩分别为1.00μB和3.00μB.利用掺杂体系的局域对称性和分子轨道理论分析了杂质能级和磁矩的产生原因,并且通过分析光吸收曲线得知,引入空位缺陷或者N原子掺杂,可以有效增强g-ZnO单层材料的光吸收性能.研究结果对系统地理解g-ZnO及其缺陷模型的性质有重要意义,可以为发展基于g-ZnO的纳米电子器件和光催化应用提供理论参考.