Mn掺杂GaN稀磁半导体的电磁特性研究

采用基于密度泛函理论的第一性原理平面波超软赝势法计算了不同浓度Mn掺杂GaN（Ga1-xMnxN, x=0.0625和0.1250）的晶格常数、能带结构和态密度,分析比较了掺杂前后GaN的电子结构和磁性。结果表明：Mn掺入后体系仍为直接带隙半导体,带隙宽度随Mn含量的增加逐步增大。Mn掺杂GaN均使得N 2p与Mn 3d轨道杂化,产生自旋极化杂质带,自旋向上的能带占据费米面,掺杂后的Ga1-xMnxN表现为半金属铁磁性,适合自旋注入;随着Mn掺杂浓度的增加,体系的半金属性有所增强。     

Mn掺杂GaN稀磁半导体的电磁特性研究

采用基于密度泛函理论的第一性原理平面波超软赝势法计算了不同浓度Mn掺杂GaN(Ga1-xMnxN,x=0.0625和0.1250)的晶格常数、能带结构和态密度,分析比较了掺杂前后GaN的电子结构和磁性.结果表明:Mn掺入后体系仍为直接带隙半导体,带隙宽度随Mn含量的增加逐步增大.Mn掺杂GaN均使得N2p与Mn3d轨道杂化,产生自旋极化杂质带,自旋向上的能带占据费米面,掺杂后的Ga1-xMnxN表现为半金属铁磁性,适合自旋注入;随着Mn掺杂浓度的增加,体系的半金属性有所增强.     

Mg2Si:Fe 电子结构及磁性的理论研究

采用基于密度泛函理论的第一性原理赝势平面波方法研究了Mg_2Si:Fe体系的电子能带结构、态密度和磁性.结果表明:掺入的Fe原子优先占据晶格中的空隙位,也可能代替晶格中的Mg位.从能带结构和态密度可以看出,当Fe原子位于晶格中空隙位时,系统显示出金属性;当Fe占据Mg位置时,对于自旋向上电子态,体系有一带隙存在,系统呈现明显的半导体特性;对于自旋向下电子态,Fe的替位掺杂在该体系内引入新的杂质能级,杂质能级与导带价带分离,且100%自旋极化.两种位置的杂质,上自旋电子和下自旋电子的态密度均明显不对称,诱导出铁磁性,且铁磁性主要由于Fe的3d态电子诱导产生.Fe位于空隙位时,Fe原子的磁矩为1.69μB;Fe占据Mg位时,Fe原子的磁矩为1.38μB,说明原子磁矩与其所占位置和配位情况有关.     

Cr掺杂浓度对AlN半金属性影响的第一性原理研究

本文基于密度泛函理论的第一性原理方法, 在广义梯度近似(GGA)下计算了掺杂过渡金属Cr原子后AlN晶体自旋极化的能带结构、分态密度等性质. 结果表明, 半金属能隙随着掺杂浓度的增大而减小. 文中以掺杂浓度为12.5%的Cr-AlN(2×2×1)为例, 分析了其自旋极化的能带结构、分态密度和磁矩等性质, 发现Cr-3d电子对自旋向下子带导带底的能量位置起决定作用. 随着掺杂浓度的增大, Cr原子间相互作用增强, Cr-3d能带向两边展宽, 导致自旋向下子带导带底的能量位置下降, 从而半金属能隙变窄.     

Cr掺杂浓度对AlN半金属性影响的第一性原理研究

本文基于密度泛函理论的第一性原理方法, 在广义梯度近似(GGA)下计算了掺杂过渡金属Cr原子后AlN晶体自旋极化的能带结构、分态密度等性质. 结果表明, 半金属能隙随着掺杂浓度的增大而减小. 文中以掺杂浓度为12.5%的Cr-AlN(2×2×1)为例, 分析了其自旋极化的能带结构、分态密度和磁矩等性质, 发现Cr-3d电子对自旋向下子带导带底的能量位置起决定作用. 随着掺杂浓度的增大, Cr原子间相互作用增强, Cr-3d能带向两边展宽, 导致自旋向下子带导带底的能量位置下降, 从而半金属能隙变窄.     

过渡金属 X（ X=Cr、Mn、Fe、Tc、Re ）掺杂Janus Ga2SSe 的第一性原理研究

利用密度泛函理论的第一性原理赝势平面波方法，研究过渡金属X(X=Cr、Mn、Fe、Tc、Re)原子掺杂Janus Ga₂SSe的磁性、电子性质及光学性质.研究表明：过渡金属掺杂Janus Ga₂SSe体系在Chalcogen-rich条件下有着比Ga-rich条件下更好的稳定性.其中Mn掺杂体系形成能在两种条件下皆为最低.本征Ga₂SSe是具有2.02 eV带隙的间接带隙半导体，在紫外区域有着很好的光伏吸收能力.与本征Ga₂SSe相比，Cr掺杂体系自旋向上通道出现杂质能级，自旋向上与向下通道不对称，呈磁矩为2.797μ_B铁磁性半金属. Mn掺杂体系在其自旋向上通道产生的杂质能级，呈磁矩为3.645μ_B的磁性P型半导体. Fe掺杂体系自旋向下通道产生的杂质能级，呈磁矩为3.748μ_B磁性P型半导体.在Tc与Re掺杂后，带隙皆由间接变直接带隙，呈无磁性的P型半导体.从光学性质来看，各掺杂体系与未掺杂Ga₂SSe在介电...     

3d过渡金属元素掺杂Al12N12纳米线几何结构和电子性能的第一性原理研究

基于密度泛函理论的第一性原理计算方法,系统地研究了不同3d过渡金属元素(Sc、Ti、V、Cr、Mn、Fe、Co和Ni)掺杂Al₁₂N₁₂纳米线的几何结构、稳定性和电子结构.结果表明：所有掺杂体系均是热力学稳定的;掺杂Ni时体系保留了原有的非磁性间接带隙半导体特性;当掺杂其它原子(Sc、Ti、V、Cr、Mn、Fe、Co)时体系仍然保持为半导体,但带隙明显减小.掺杂过渡金属原子对于Al₁₂N₁₂纳米线的电子结构具有明显的调控作用,在能带调控和光电方面有潜在的应用前景.     

Half-Heusler合金NiFeSb和NiMnSb的磁性及电子结构的第一性原理研究

用基于密度泛函理论的第一性原理方法,计算了half-Heusler合金NiFeSb和NiMnSb的晶体结构、磁性及电子结构。计算结果表明,磁性原子Fe和Mn在两种合金的总磁矩中贡献最大,在NiFeSb总磁矩中,Ni原子贡献比例接近在NiMnSb中的2倍,而Sb原子的贡献比例是在NiMnSb中的1/5;两种合金的自旋向上能带都具有明显的金属特征,而自旋向下能带有明显的差别;两种合金费米能级以下的总态密度(DOS)主要由Ni-3d 和Fe-3d（Mn-3d）态决定,费米能级以上主要由Fe-3d（Mn-3d）自旋向下部分决定。     

Fe_9Si的电子结构及铁磁性质的第一性原理研究

采用第一性原理的密度泛函理论(Density Functional Theory)赝势平面波方法,对Fe_9Si的电子结构和铁磁性质进行理论计算.计算结果表明:(1)Fe_9Si具有负的形成热-0.1094 eV/atom,结合能5.124eV/atom,表明Fe_9Si合金具有强结合力和结构稳定性;(2)Fe_9Si具有典型的金属能带特征,穿过Fermi能级的能带最主要是Fe的3d态电子的贡献,其次是来自Si的3p态电子的贡献.结合键不是单一金属键,而是金属键和共价键组成的混合键;(3)Fe_9Si的铁磁性主要来自Fe原子的未满层壳的3d态电子的自旋.计算结果为Fe_9Si铁磁性材料的设计与应用提供了理论依据.     

Mn掺杂GaN电子结构和光学性质研究

采用基于密度泛函理论的第一性原理平面波赝势法计算不同Mn浓度掺杂GaN晶体的电子结构和光学性质.计算结果表明Mn掺杂GaN使得Mn 3d与N 2p轨道杂化,产生自旋极化杂质带,材料表现为半金属性,非常适于自旋注入,说明该种材料是实现自旋电子器件的理想材料,折射率在带隙处出现峰值,紫外区光吸收系数随Mn浓度的增加而增大. 关键词： Mn掺杂GaN 第一性原理 电子结构 光学性质     

Electronic structures,magnetic properties and band alignments of 3d transition metal atoms doped monolayer MoS2

Utilizing first-principles calculations, the electronic structures, magnetic properties and band alignments of monolayer MoS₂ doped by 3d transition metal atoms have been investigated. It is found that in V, Cr, Mn, Fe-doped monolayers, the nearest neighboring S atoms (S_NN) are antiferromagnetically polarized with the doped atoms. While in Co, Ni, Cu, Zn-doped systems, the S_NN are ferromagnetically coupled with the doped atoms. Moreover, the nearest neighboring Mo atoms also demonstrate spin polarization. Compared with pristine monolayer MoS₂, little change is found for the band edges' positions in the doped systems. The Fermi level is located in the spin-polarized impurity bands, implying a half-metallic state. These results provide fundamental insights for doped monolayer MoS₂ applying in spintronic, optoelectronic and electronic devices.     

Magnetism and electronic structure of Mn- and V-doped zinc blende ZnTe from first-principles calculations

By means of the first-principles full potential linearized augmented plane-wave method within the local density approximation for the exchange-correlation functional, we have investigated the magnetism and electronic structure of Mn- and V-doped zinc blende ZnTe. Total energy calculations show that, for high doping concentration (12.5%), ZnTe:Mn has an antiferromagnetic ground state while the ferromagnetic state is more favorable than the antiferromagnetic state for ZnTe:V. Furthermore, ZnTe with a low doping of Mn (6.25%) has a stable ferromagnetic ground state, which is in agreement with the experimental results. The calculated magnetic moment of ZnTe doped with Mn (V) mainly originates from transition metal Mn (V) atom with a little contribution from Te atom due to the hybridization between Mn (V) 3d and Te 5p electrons. Electronic structure indicates that Mn-doped ZnTe is a semiconductor, but V-doped ZnTe shows a half-metallic characteristic. We also discuss the difference between electronic and magnetic properties for ZnTe doped with 12.5% and 6.25% Mn.     

Mn掺杂LiZnN新型稀磁半导体磁电性质的第一性原理计算

采用基于密度泛函理论的第一性原理平面波超软赝势方法,对纯LiZnN、Mn掺杂LiZnN及Li不足和过量时Mn掺杂LiZnN体系进行几何结构优化,分析体系的电子结构、半金属性和磁电性质.结果表明,Mn的掺入使体系产生自旋极化杂质带,自旋极化率为100%,表现出半金属铁磁性,且形成较强的Mn-N共价键.当Li不足时,Mn-N键的共价性最强,键长变短,体系半金属性明显增强,形成能最低,结构最稳定.Li过量时,体系半金属性消失,表现为金属性,杂质带宽度增大,体系导电能力增强.表明Mn掺杂LiZnN新型稀磁半导体可以通过Mn的掺入和改变Li的含量来实现磁性和电性的分离调控.掺杂体系的基态均为铁磁性,其净磁矩主要由Mn原子贡献,通过海森堡模型计算发现,Li空位可以有效提高体系的居里温度.     

First-principles study on the magnetism in ZnS-based diluted magnetic semiconductors

The electronic and magnetic properties of wurtzite ZnS semiconductor doped with transition metal (Cr, Mn, Fe, Co, and Ni) atoms are studied by using the first-principle’s method in this paper. The ZnS bulk materials doped with Cr, Fe, and Ni are determined to be half-metallic, while those doped with Mn and Co impurities are found to be semiconducting. These doped transition metal ions have long range interactions mediated through the induced magnetic moments in anions and cations of host semiconductors. These doped ZnS-based diluted magnetic semiconductors seem to be good candidates for the future spintronic applications.     

Electronic structure and magnetism of Fe-doped SiC nanotubes

The electronic structure and magnetic properties of Fe-doped SiC nanotubes are investigated by using the first-principles method based on density functional theory(DFT) in the local spin density approximation(LSDA).The calculation results indicate that the SiC nanotube of Fe substitution for C exhibits antiferromagnetism while ferromagnetism features prominently when Fe substitutes Si.This is a kind of half-metal magnetic material.The formation energy calculation results show that the formation energy of ferromagnetic structure is 3.2 eV lower than that of antiferromagnetic structure.Fe atoms are more likely to replace Si atoms.Spin-orbit coupling induces electron spin polarization in the ground state.Also,the doping Fe atoms make relaxation towards the outside of the tube to some extent and larger geometric distortion occurs when Fe substitutes C,but the whole geometric structure of SiC nanotubes is not damaged due to the doping.It is revealed in the calculation of energy band structure and density of states that more dispersed distribution of energy levels is produced near the Fermi level.For Fe substitution for Si,obviously there are spin-split and intense p-d hybrid effects by Si 3p electron spins and Fe 3d electron spins localized at the exchanging interactions between magnetic transitional metal(TM) impurities.Spin electronic density results indicate that system magnetic moments are mainly generated by the unpaired 3d electrons of Fe atoms.All these results show that the transition metal doping SiC nanotube could be a potential route to fabricating the promising magnetic materials.     

Mn掺杂ZnO纳米线磁性质的第一性原理研究

本文采用第一性原理方法系统研究了Mn原子单掺杂和双掺杂ZnO纳米线的稳定性和磁性质.所有掺杂纳米线的束缚能都为负值,表明掺杂增强了纳米线的稳定性.表面掺杂纳米线显示了直接带隙半导体特性,而中间掺杂纳米线显示了间接带隙半导体特性.纳米线的总磁矩主要来源于Mn原子3d轨道的贡献.由于杂化,相邻的O原子和Zn原子也产生了少量自旋.在超原胞内,Mn原子和O原子磁矩平行排列,表明它们之间是铁磁耦合.     

Mn,Fe,Co掺杂GaAs电子结构与光学性质的第一性原理研究

采用基于密度泛函理论的平面波超软赝势方法对本征GaAs以及3d过渡金属Mn、Fe、Co单掺杂GaAs晶体的电子结构及其光学性质进行理论计算以及对比研究.计算结果表明:能带结构中三种掺杂体系均引入新的能级,能带条数增多,导带底与价带底顶向深能级移动,带隙减小;费米能级附近出现了杂质能级,导致掺杂体系光子能量位于0时介电函数虚部便有所响应,掺杂体系相较于本征体系的静介电常数有所提升;Mn、Fe、Co三种掺杂体系相较于本征体系在红外以及远红外区域吸收系数得到了明显的提升,其中Fe掺杂GaAs的光催化特性最好.