La_(0.4)Ca_(0.6)MnO_3中Mn-位Fe和Cr掺杂对磁性质的影响

研究了Fe和Cr掺杂对La0.4Ca0.6Mn O3中电荷有序反铁磁基态的调控作用.磁性质的测量结果表明,两种离子掺杂均能有效抑制原型样品中的长程电荷有序相,但是Fe离子掺杂样品均具有反铁磁的基态,而Cr掺杂样品中则出现了显著的铁磁性.结合电输运测量结果显示,Cr掺杂引起的铁磁态同时具有金属性,表明其中是电子双交换作用占主导.对比两种掺杂离子的电子结构发现,Cr离子空的e g电子轨道促进了电子双交换作用,而Fe掺杂则只是引入了不同的自旋交换作用,导致自旋无序.     

La$lt;sub$gt;0.4$lt;/sub$gt;Ca$lt;sub$gt;0.6$lt;/sub$gt;MnO$lt;sub$gt;3$lt;/sub$gt;中Mn-位Fe和Cr掺杂对磁性质的影响

研究了Fe和Cr掺杂对La_0.4Ca_0.6MnO₃ 中电荷有序反铁磁基态的调控作用. 磁性质的测量结果表明, 两种离子掺杂均能有效抑制原型样品中的长程电荷有序相, 但是Fe离子掺杂样品均具有反铁磁的基态, 而Cr掺杂样品中则出现了显著的铁磁性. 结合电输运测量结果显示, Cr掺杂引起的铁磁态同时具有金属性, 表明其中是电子双交换作用占主导. 对比两种掺杂离子的电子结构发现, Cr离子空的e_g电子轨道促进了电子双交换作用, 而Fe掺杂则只是引入了不同的自旋交换作用, 导致自旋无序. 关键词： 磁性氧化物 反铁磁     

自旋和电荷分别掺杂的新一类稀磁半导体研究进展

稀磁半导体兼具半导体材料和磁性材料的双重特性,是破解摩尔定律难题的方案之一.我们团队通过提出自旋和电荷分别掺杂的机制,研制发现了一类新型稀磁半导体材料,为突破经典稀磁半导体材料自旋和电荷一体掺杂引起的材料制备瓶颈提供了有效解决方案.(Ba,K)(Zn,Mn)_2As_2(BZA)等新型稀磁半导体通过等价掺杂磁性离子引入自旋、异价非磁性离子掺杂引入电荷,实现了230 K的居里温度,刷新了可控型稀磁半导体的居里温度记录.本文重点介绍1)几种代表性的自旋和电荷掺杂机制分离的新型稀磁半导体的发现与研制; 2)新型稀磁半导体的μ子自旋弛豫与高压物性结构的调控; 3)大尺寸单晶生长、基于单晶的安德烈夫异质结研制以及自旋极化率的测量.通过新材料设计研制、综合物性研究、简单原型器件构建的"全链条"模式研究,开拓了自旋电荷分别掺杂的稀磁半导体材料研究领域,展现了这类新型稀磁半导体材料潜在的光明前景.     

F原子吸附TiO_2:Mn(001)稀磁半导体薄膜电子结构和磁性的第一性原理计算

利用第一性原理方法计算Mn离子掺杂纯净TiO2(001)和F原子吸附的TiO2(001)薄膜的形成能、态密度和磁矩.F原子吸附明显降低TiO2∶Mn薄膜体系的形成能.F原子的吸附导致Mn离子的磁矩减小,而表面O原子的磁矩增大.表面O原子的磁矩主要来源于O原子p x和p y轨道的自旋极化,研究表明表面吸附F原子更有利于Mn离子的掺杂,在一定程度上有利于获得结构稳定的铁磁态半金属特性的TiO2∶Mn薄膜.     

掺杂聚乙炔中的电荷转移与孤子、极化子等非线性元激发

导电聚合物中的π电子可以通过掺杂离子的桥梁作用及链间耦合作用在链与链之间转移.在给定掺杂离子浓度下,研究了聚乙炔链的基态,孤子,极化子等非线性激发态与链上净电荷之间的关系.指出了Peierls电子-声子相互作用、掺杂离子与π电子的库仑相互作用等对体系的不同影响. 关键词：     

Nd4f电子对NdF_xO_(1-x)BiS_2低温电子结构和磁特性影响的第一性原理研究

本文采用第一性原理计算软件包VASP,系统地研究了不同F掺杂比例的新型层状超导体NdFxO1-xBiS2(x=0,0.125,0.25,0.375,0.5)体系的晶格特性和电子结构,并着重研究了将Nd4f电子作为价电子引入对NdF0.5O0.5BiS2电子结构的影响和NdF0.5O0.5BiS2的磁有序结构.结果表明:引入F掺杂会减小晶格参数a的值,但随着掺杂比例的增加,a值又会逐渐增加,晶格参数c的值则保持递减的趋势;F掺杂比例为0.375时,费米能级处出现态密度峰值,意味着最佳掺杂;Nd4f电子作为价电子时会与Nd5d电子一起成为NdO(F)耗尽层中的载流子供体,不会改变BiS2超导层的电子结构;Nd子晶格局域磁矩的C-AFM型磁有序排列会大大增加体系的稳定性,成为最可能的磁性基态.     

应力作用下GdTiO_3磁序相变的第一性原理研究

采用基于密度泛函理论的第一性原理方法,系统研究了GdTiO_3薄膜在压缩应力和拉伸应力作用下的磁序相变.计算结果表明:1)在LaAlO_3压缩衬底的作用下,GdTiO_3薄膜从铁磁基态转变为G型反铁磁基态.该结果不同于YTiO_3和LaTiO_3在LaAlO_3压缩衬底作用时都呈现A型反铁磁基态的情况.若进一步加大压缩应力,例如在(001)平面施加YTiO_3衬底,此时GdTiO_3薄膜基态才为A型反铁磁态.2)在LaScO_3和BaZrO_3拉伸衬底的作用下,GdTiO_3薄膜的基态仍是铁磁态,但是随着拉伸应力的增大,A型反铁磁态的能量和铁磁态的能量差逐渐缩小,即GdTiO_3薄膜的基态有转变为A型反铁磁态的趋势.3)在外加应力的作用下,GdTiO_3薄膜基态的磁序发生了相变,但是其绝缘性并没有变,说明GdTiO_3薄膜仍为Mott型绝缘体.     

Fe位Al掺杂对Sr2FeMoO6磁结构和磁输运性质的影响

研究了Sr2Fe1-xAlxMoO6(0≤x≤0.30)系列多晶样品的磁学和输运性质.室温X射线衍射谱图的精修结果显示Al3+掺杂没有改变样品的晶格结构,但提高了Sr2FeMoO6晶格的阳离子有序度.5K时样品的磁化曲线说明平均单位分子饱和磁矩随着Al含量的增加而下降,但平均单位Fe离子磁矩却逐渐提高.磁化曲线的拟合结果显示样品内反铁磁相互作用对饱和磁矩的贡献随着Al含量的增加而下降,说明一定量的Fe离子被Al替代后,抑制了样品内Fe-O-Fe反相边界的形成,从而提高了Sr2FeMoO6晶格的阳离子有序度和平均单位Fe离子磁矩.对饱和磁矩的分析表明非磁性Al3+离子掺杂会形成无磁相互作用的Mo-O-Al-O-Mo区,可以将原来较大的Mo-O-Fe亚铁磁区分割成许多小的区域,并且使这些亚铁磁区间的磁耦合作用变弱,从而提高了低场磁电阻效应.阳离子有序度的提高使来源于自旋相关电子在反相边界处散射的高场磁电阻明显降低,导致了样品的磁电阻在x=0.15时达到了最大值.     

TM掺杂的Ⅲ-Ⅴ族稀磁半导体电磁性质的第一原理计算

使用基于自旋局域密度泛函理论的第一性原理方法对3d过渡金属(TM=V，Cr，Mn，Fe，Co和Ni)掺杂的Ⅲ-Ⅴ族半导体(GaAs和GaP)的电磁性质进行了计算.结果发现：用V，Cr和Mn掺杂时体系将出现铁磁状态，而Fe掺杂时将出现反铁磁状态，Co和Ni掺杂时，其磁性则不稳定.其中，Cr掺杂的GaAs和GaP将可能是具有较高居里温度的稀磁半导体(DMS).在这些DMS系统中，V离子的磁矩大于理论期待值，Fe，Co和Ni离子的磁矩小于理论期待值，Cr和Mn离子的磁矩与期待值的差距取决于晶体的对称性以及磁性离子的能带分布.此外，使用Si和Mn共同对Ⅲ-Ⅴ族半导体进行掺杂，将有利于DMS表现为铁磁状态，并可以使体系的T_C进一步提高. 关键词： 稀磁半导体 过渡金属 掺杂 共掺杂     

过渡金属(Cr,Mn,Fe,Co)掺杂对TiO_2磁性影响的第一性原理研究

关于过渡金属掺杂TiO_2是否会产生室温铁磁性及其磁性的来源存在争议,为了解决此问题,本文采用基于密度泛函理论下的GGA+U方法对体系Ti_(0.875)X_(0.125)O_2 (X=Cr,Mn,Fe,Co)的磁学性质及光学性质进行了第一性原理的研究.首先计算了铁磁和反铁磁的基态能量,比较后推测出铁磁态为它们的基态;分析能带结构发现Ti_(0.875)Cr_(0.125)O_2和Ti0.875Mn_(0.125)O_2两种体系保持半导体性质,Ti_(0.875)Fe_(0.125)O_2和Ti_(0.875)Co_(0.125)O_2两种体系表现金属特性;掺杂体系都产生了室温铁磁性,磁性来源主要是过渡金属元素(Cr,Mn,Fe,Co)3d电子轨道诱导极化了周围的O-2p态自旋电子,导致体系产生净磁矩而呈现铁磁性;掺杂体系的吸收光谱均发生了红移,有效扩展了对可见光的吸收范围.     

Fe和Co对Ni2MnGa合金(110)马氏体孪晶界面电子结构的影响

利用密度泛函理论研究了Fe,Co两种合金元素对Ni2MnGa合金(110)马氏体孪晶界面电子结构的影响.分别从界面能、偏聚能、磁矩、键序和电子态密度等角度对合金元素在界面处的掺杂效应进行了分析和比较.计算结果表明,在对界面的钉扎作用上,Co的界面掺杂效应较Fe的掺杂效应强;对于界面磁性的影响,Fe掺杂对界面磁结构的作用比Co掺杂显著.     

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.     

Dy_(0.9)Sm_(0.1)FeO_3单晶中的自旋组态和磁化翻转效应

我们用光学浮区法生长了稀土正铁氧体Dy_(0.9)Sm_(0.1)FeO_3(DSFO)单晶,并通过劳厄衍射法确定了单晶样品的方向.对DSFO单晶的磁性研究表明:在DyFeO_3中掺杂10%的Sm后,体系的自旋重取向转变温度从51 K(DyFeO_3)降低到9 K,而且相变过程变成了由Γ_4到Γ_(42)再到Γ_1.在12—300 K区间DSFO处于Γ_4组态,沿c方向Fe离子磁晶格有一个净的磁矩和一个由它诱导的稀土离子的净磁矩.稀土磁矩和Fe磁矩之间本征地反平行耦合,但一个较小的磁场可以改变反平行耦合到平行耦合.在场冷降温模式下的磁化-温度曲线测试中,我们发现在不同的磁场下磁化曲线会在不同的位置发生跳变;这一现象由稀土磁矩和Fe磁矩之间的平行反平行转变导致,有望作为特定条件下的自旋开关而应用于自旋电子学器件中.     

Fe位Al掺杂对Sr2FeMoO6磁结构和磁输运性质的影响

研究了Sr₂Fe_1-xAl_xMoO₆(0≤x≤0.30) 系列多晶样品的磁学和输运性质.室温X射线衍射谱图的精修结果显示Al³⁺掺杂没有改变样品的晶格结构，但提高了Sr₂FeMoO₆晶格的阳离子有序度.5K时样品的磁化曲线说明平均单位分子饱和磁矩随着Al含量的增加而下降，但平均单位Fe离子磁矩却逐渐提高.磁化曲线的拟合结果显示样品内反铁磁相互作用对饱和磁矩的贡献随着Al含量的增加而下降，说明一定量的Fe离子被Al替代后，抑制了样品内Fe—O—Fe反相边界的形成，从而提高了Sr₂FeMoO₆晶格的阳离子有序度和平均单位Fe离子磁矩.对饱和磁矩的分析表明非磁性Al³⁺离子掺杂会形成无磁相互作用的Mo—O—Al—O—Mo区，可以将原来较大的Mo—O—Fe亚铁磁区分割成许多小的区域，并且使这些亚铁磁区间的磁耦合作用变弱，从而提高了低场磁电阻效应.阳离子有序度的提高使来源于自旋相关电子在反相边界处散射的高场磁电阻明显降低，导致了样品的磁电阻在x=0.15时达到了最大值. 关键词： 2FeMoO₆')" href="#">Sr₂FeMoO₆ 掺杂 磁结构 磁输运性质     

V,Cr,Mn掺杂MoS2磁性的第一性原理研究

基于第一性原理的自旋极化密度泛函理论分别研究了过渡金属V, Cr, Mn掺杂单层MoS₂的电子结构、 磁性和稳定性. 结果表明: V和Mn单掺杂均能产生一定的磁矩, 而磁矩主要集中在掺杂的过渡金属原子上, Cr单掺杂时体系不显示磁性. 进一步讨论双原子掺杂MoS₂ 体系中掺杂原子之间的磁耦合作用发现, Mn掺杂的体系在室温下显示出稳定的铁磁性, 而V掺杂则表现出非自旋极化基态. 形成能的计算表明Mn掺杂的MoS₂体系相对V和Cr 掺杂结构更稳定. 由于Mn掺杂的MoS₂ 不仅在室温下可以获得比较好的铁磁性而且其稳定性很高, 有望在自旋电子器件方面发挥重要的作用. 关键词： 2')" href="#">单层MoS₂ 掺杂 铁磁态 第一性原理     

面向应用的新一代稀磁半导体研究进展

稀磁半导体具有能同时调控电荷与自旋的特性,是破解摩尔定律难题的候选材料之一.我们团队率先提出了稀磁半导体中自旋和电荷掺杂分离的机制,探索并研制了新一代稀磁半导体材料,为突破经典稀磁半导体材料的制备瓶颈提供了有效解决方案.以(Ba,K)(Zn,Mn)₂As₂等为代表的新一代稀磁半导体,通过等价态的Mn掺杂引入自旋、异价态的非磁性离子掺杂引入电荷,成功实现了230 K的居里温度,刷新了可控型稀磁半导体的居里温度记录.本文将重点介绍几种代表性的新一代稀磁半导体的设计与研制、新一代稀磁半导体的综合物性表征、大尺寸单晶生长以及基于单晶的安德烈夫异质结研制.我们团队通过新一代稀磁半导体的新材料设计研制、综合物性研究、简单原型器件构建的“全链条”模式研究,开拓了自旋电荷分别掺杂的稀磁半导体材料研究领域,充分展现了自旋和电荷掺杂分离的新一代稀磁半导体材料潜在应用前景.     

基于机器学习的无机磁性材料磁性基态分类与磁矩预测

磁性材料是信息时代重要的基础材料,不同的磁性基态是磁性材料广泛应用的前提,其中铁磁基态是高性能磁性材料的关键要求.本文针对材料项目数据库中的无机磁性材料数据,采用机器学习技术实现无机磁性材料铁磁、反铁磁、亚铁磁和顺磁基态的分类以及无机铁磁性材料磁矩的预测.提取了材料的元素和结构属性特征,通过两步式特征选择方法分别为磁性基态分类和磁矩预测筛选了20个材料特征,发现材料特征中的电负性、原子磁矩和原子外围轨道未充满电子数对两种磁性性能具有重要贡献.基于机器学习的随机森林算法,构建了磁性基态分类模型和磁矩预测模型,采用10折交叉验证的方法对模型进行定量评估,结果表明所构建的模型具有足够的精度和泛化能力.在测试检验中,磁性基态分类模型的准确率为85.23%,精确率为85.18%,召回率为85.04%, F1分数为85.24%;磁矩预测模型的拟合优度为91.58%,平均绝对误差为0.098μB/atom.本研究为无机铁磁性材料的高通量分类筛选与磁矩预测提供了新的方法和选择,可为新型无机磁性材料的设计研发提供参考.     

Co掺杂闪锌矿ZnO的磁性和光学性质

采用自旋极化密度泛函理论方法对Co掺杂闪锌矿ZnO的能带结构、态密度、磁学和光学属性进行了研究.计算结果显示:Co掺杂闪锌矿ZnO的基态是反铁磁态,具有金属性特征;而铁磁态具有半金属性特征.铁磁耦合在费米能级附近出现了明显的自旋劈裂现象,表现出明显的不对称性和强烈的Co 3d和O 2p杂化效应.磁矩主要来源于Co 3d轨道电子以及部分近邻耦合的O 2p轨道电子,大小与Co原子的掺杂位置有关.光学性质计算结果显示,Co掺杂闪锌矿ZnO在可见光范围内都有较强的光吸收能力,吸收峰在高能区发生了红移现象.理论计算结果表明,Co掺杂闪锌矿ZnO或许是一种优异的磁光材料.     

Fe和Co对Ni2MnGa合金(110)马氏体孪晶界面电子结构的影响

利用密度泛函理论研究了Fe，Co两种合金元素对Ni₂MnGa合金(110)马氏体孪晶界面电子结构的影响. 分别从界面能、偏聚能、磁矩、键序和电子态密度等角度对合金元素在界面处的掺杂效应进行了分析和比较. 计算结果表明，在对界面的钉扎作用上，Co的界面掺杂效应较Fe的掺杂效应强；对于界面磁性的影响，Fe掺杂对界面磁结构的作用比Co掺杂显著. 关键词： 密度泛函理论 孪晶界面 掺杂效应 马氏体     

氧空位缺陷对PbTiO_3铁电薄膜漏电流的调控

基于非平衡格林函数及密度泛函理论第一性原理计算方法,计算了Fe, Al, V和Cu四种阳离子掺杂对氧空位缺陷引起的PbTiO_3铁电薄膜漏电流的调控.研究表明:Fe和Al离子掺杂将会增大由其中氧空位缺陷导致的铁电薄膜的漏电流,而Cu和V离子掺杂对该漏电流的大小具有明显抑制作用.这是因为Cu和V掺杂对氧空位缺陷有明显的钉扎作用.相比于半径更大的Cu离子,由于V的离子半径更小,且更接近于PbTiO_3铁电薄膜中Ti的离子半径,可以预言V离子更可能被掺杂进入薄膜,从而抑制氧空位缺陷引起的漏电流.研究结果对铁电薄膜器件的电学性能控制和优化有一定的理论指导意义.