氮掺杂（1120）ZnO薄膜磁性质研究

采用基于密度泛函理论（DFT）和局域密度近似（LDA）的第一性原理分析了氮掺杂（1120）ZnO薄膜的磁性质.首先,研究了一个N原子掺杂ZnO薄膜的磁性质,结果表明N2p,O2p和Zn3d发生自发自旋极化.其次,研究了二个N原子掺杂ZnO薄膜的磁性质,9个不同几何结构的计算结果表明N原子之间具有FM耦合稳定性,而且具体分析了N掺杂ZnO铁磁稳定性的产生原因.最后,讨论了氮掺杂ZnO磁交换系数和居里温度.计算结果表明N掺杂（1120）ZnO薄膜具有弱铁磁性.     

利用第一性原理研究Ni掺杂ZnO铁磁性起源

采用基于密度泛函理论和局域密度近似的第一性原理分析了Ni掺杂ZnO磁性质.文中计算了8个不同几何结构的铁磁(FM)和反铁磁耦合能量,结果表明FM耦合更稳定.态密度结果显示Ni 3d 与O 2p发生杂化,导致费米能级附近电子态自旋极化.文中也分析了O空位对Ni掺杂ZnO铁磁性质的影响,O空位通过诱导电子调节FM耦合,从而稳定Ni掺杂ZnO铁磁性质,其强度足以引发室温铁磁性.通过Ni 3d能级耦合具体分析了Ni 掺杂ZnO铁磁性起源.另外,也分析了晶格应变对Ni掺杂ZnO FM耦合的影响. 关键词： 第一性原理 半导体 铁磁性 缺陷     

退火氛围对掺杂ZnO薄膜磁性的影响

采用直流磁控反应共溅法制备了非磁性元素Al和磁性元素Co掺杂的ZnO薄膜, 样品原位真空退火后再空气退火处理. 利用X射线衍射仪(XRD) 和物理性能测量仪(PPMS) 对薄膜的结构和磁性进行了表征. XRD和PPMS结果表明, 不同的退火氛围对掺杂薄膜的结构和磁性有着很大的影响. 真空退火的Al掺杂ZnO薄膜没有观察到铁磁性, 而空气退火的样品却显示出明显的室温铁磁性, 铁磁性的来源与空气退火后导致Al和ZnO基体间电荷转移增强有关. 而对于Co掺杂ZnO薄膜, 真空退火后再空气退火, 室温铁磁性明显减弱. 其磁性变化与Co离子和ZnO基体间电荷转移导致磁性增强和间隙Co原子被氧化导致磁性减弱有关.     

Co和Mn共掺杂ZnO铁磁性的第一性原理

基于密度泛函理论(DFT)的总体能量平面波超软赝势方法,结合广义梯度近似(GGA),对Co单独掺杂ZnO和(Co,Mn)共掺杂ZnO的32原子超原胞体系进行了几何结构优化,计算了纤锌矿结构ZnO、Co-ZnO及(Co,Mn)共掺杂ZnO的能带结构、电子态密度,并对此进行了详细的分析。计算结果表明,ZnO中单独掺杂Co元素显示出铁磁性行为,Mn的引入减弱了Co-ZnO的铁磁性。     

非故意掺杂碳对ZnMnO:N磁性影响的实验与理论研究

利用金属有机源化学气相沉积技术, 通过改变受主掺杂源和导入氢气并提高生长压力来逐步抑制C的办法, 在蓝宝石上外延了Mn, N共掺ZnO薄膜. X射线衍射显示所有样品都具有良好的单轴取向. ZnMnO:N样品的Raman光谱中C元素相关的振动模明显消失. 同时van der Pauw法Hall效应测量表明, 通过逐步对C的抑制, 样品由n型导电转变成p型导电, 这主要是由于C与N形成复合体取代O位(CN)O, 具有最低形成能且充当浅施主. 对N, Mn共掺ZnO晶体的第一性原理模拟计算显示了N, Mn共掺ZnO的态密度在Fermi能级处存在较强的自旋极化, 表明N 2p电子与Mn 3d电子之间存在较强的p-d相互作用, 形成磁性束缚激子产生磁矩. 一旦引入C后, C, N形成复合体取代O位, 导致体系磁性减弱或者消失. 模拟计算结果与实验表征分析结果一致表明: 对于Mn, N共掺ZnO薄膜样品, 引入C与N形成复合体取代O位, Mn, N共掺ZnO薄膜磁性减弱或消失. 因此, Mn 3d电子与N 2p局域束缚的电子形成的磁性束缚激子决定了Mn, N共掺ZnO薄膜室温铁磁信号的产生.     

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     

镍掺杂ZnO的半金属铁磁性质和光学性质的研究

采用基于局域密度泛函理论的第一原理平面波超软膺势法,研究了纯净ZnO和Ni掺杂ZnO后的能带结构、电子态密度以及光学性质,结果表明:Ni掺杂ZnO后存在自旋极化,体系表现出半金属铁磁性质,可以实现自旋极化载流子的注入,并且在可见光区和紫外光区(1.98 eV～5.61 eV)的吸收系数显著提高.     

V掺杂ZnO透明导电薄膜研究

本文分别采用磁控溅射技术与基于密度泛函理论的平面波赝势方法两种方式, 对高价态差元素V掺杂ZnO薄膜进行研究. 实验研究结果表明: V的掺入并未改变ZnO的生长方式, 所制备的薄膜都呈(002)择优生长; 随着衬底温度增加, VZO薄膜的结晶质量逐步改善, 当衬底温度超过280 ℃时薄膜的结晶质量恶化; 在280 ℃时获得的VZO薄膜电阻率最低3.8×10^-3 Ω·m, 500-2000 nm平均透过率高于85%. 理论模拟结果表明: V以替位形式掺入ZnO六角纤锌矿晶格结构中, 费米能级进入导带, 材料表现出n 型半导体的特性, 导电电子主要由V 3d及O 2p电子轨道提供. 理论计算结果与实验结果的一致性, 表明VZO薄膜具有作为高效Si基薄膜太阳电池透明导电薄膜的应用潜力.     

Cu、Ag和Au掺杂AlN的电磁性质的第一性原理研究

采用基于密度泛函理论（DFT）的平面波超软赝势法,研究了Cu、Ag、Au掺杂AlN的晶格常数、磁矩、能带结构和态密度。电子结构表明,Cu、Ag、Au的掺杂使在带隙中引入了由杂质原子的d态与近邻N原子的2p态杂化而成的杂质带,都为p型掺杂,增强了体系的导电性。Cu掺杂AlN具有半金属铁磁性,半金属能隙为0.442eV,理论上可实现100%的自旋载流子注入;Ag掺杂AlN具有很弱的半金属铁磁性;而Au掺杂AlN不具有半金属铁磁性。因此,与Ag、Au相比,Cu更适合用来制作AlN基稀磁半导体。     

Mn掺杂ZnO稀磁半导体材料的制备和磁性研究

采用共沉淀方法制备了名义组分为Zn_1-xMn_xO(x=0.001,0.005,0.007,0.01)的Mn掺杂的ZnO基稀磁半导体材料,并研究了在大气气氛下经过不同温度退火后样品的结构和磁性的变化.结果表明：样品在600℃的大气条件下退火后, 仍为单一的六方纤锌矿结构的ZnO颗粒材料;当样品经过800℃退火后,Mn掺杂量为0.007,0.01的样品中除了ZnO纤锌矿结构外还观察到ZnMnO₃第二相的存在.磁性测量表明,大气条件下600℃退火后的样品,呈现出室温铁磁性;而800℃退火后的样品,其室温铁磁性显著减弱,并表现为明显的顺磁性.结合对样品的光致发光谱的分析,认为合成样品的室温铁磁性是由于Mn离子对ZnO中的Zn离子的替代形成的. 关键词： ZnO 掺杂 稀磁半导体 铁磁性     

Magnetic properties of nitrogen doped ZnO

Using the first principle method based on density functional theory,this paper studies the electronic structure and the ferromagnetic stability in N-doped ZnO.The calculated results based on local density approximation(LDA) and LDA+U method show that ferromagnetism coupling between N atoms is more energetically favourable for eight geometrically distinct configurations.The dominant ferromagnetic interaction is due to the hybridization between O 2p and N 2p.The origin of the ferromagnetic state in N doped ZnO is discussed by analysing coupling between N 2p levels.We also analyse N dopant concentration and lattice strain effect on ferromagnetism.     

Mn和N共掺ZnO稀磁半导体薄膜的研究

使用对Zn₂N₃:Mn薄膜热氧化的方法成功制备了高含N量的Mn和N共掺ZnO的稀磁半导体薄膜.在没有N离子共掺的情况下,ZnO:Mn薄膜的铁磁性非常微弱;如果进行N离子的共掺杂,就会发现ZnO:Mn薄膜在室温下表现出非常明显的铁磁性,饱和离子磁矩为0.23 μ_B—0.61 μ_B.这说明N的共掺激发了ZnO:Mn薄膜中的室温铁磁性,也就是受主的共掺引起的空穴有利于ZnO中二价Mn离子的铁磁性耦合,这和最近的相关理论研究符合很好. 关键词： 磁性半导体 受主掺杂 空穴媒介的铁磁性     

替位和间隙原子N对ZnO电子结构和光学性质的影响

本文采用密度泛函理论,深入研究了N作为替位和间隙原子对ZnO电子结构和光学性质的影响,结果表明：由于N在八面体间隙位置的形成能小所以更倾向于占据八面体间隙位置;N掺杂ZnO会形成p型半导体;N在间隙位置能够明显的缩小带隙宽度,可以有效的促进ZnO对光的吸收;在可见光区,处于间隙位置的N具有良好的光学吸收谱并且产生明显的红移,这与带隙的变化规律一致。     

Temperature dependent carrier induced ferromagnetism in Zn(Fe)O and Zn(FeAl)O thin films

Epitaxial films of ZnO doped with magnetic ion Fe and, in some cases, with 1% Al show clear evidence of room temperature ferromagnetic ordering but containing huge amount of paramagnetic moment in it. The total ferromagnetic and paramagnetic contributions have been extracted from the low temperature SQUID measurements. A clear correlation between the magnetization per transition metal ion and the ratio of the number of carriers and number of donors have been found in these films and established the theory of carrier induced ferromagnetism. The experimental data has been best explained through the modification of electronic structure of oxide semiconductors with impurity states.     

Enhancement of room temperature ferromagnetism of Fe-doped ZnO epitaxial thin films with Al co-doping

Epitaxial films of ZnO doped with magnetic ion Fe and, in some cases, with 1% Al show clear evidence of room temperature ferromagnetic ordering. The Al doped optimized samples with carrier concentration n_c∼8.0×10²⁰ cm⁻³ show about 3 times enhanced saturation magnetization (0.58 μ_B/Fe²⁺) than the one with n_c∼3.0×10²⁰ cm⁻³ (0.18 μ_B/Fe²⁺). A clear correlation between the magnetization per transition metal ion and the ratio of the number of carriers to the number of donors have been found as is expected for carrier-induced room temperature ferromagnetism. The transport mechanism of the electrons in all the DMS films at low temperature range has been identified with the Efros's variable range hopping due to the electron-electron Coulomb interaction.     

结构相变对Fe掺杂TiO2薄膜室温铁磁性的影响

采用直流磁控溅射方法在玻璃基底上制备了不同Fe掺杂浓度的TiO₂薄膜, 并对其晶体结构和磁特性进行了研究.在所有掺杂样品中,均观察到了室温铁磁性, 磁性源于Fe离子与其近邻空间分布的空穴相互作用. 在掺杂量为7%的锐钛矿相薄膜中观察到了最大的磁化强度. 随着Fe掺杂浓度的进一步增加, TiO₂的晶体结构逐渐由锐钛矿相向金红石相转变,并且磁性减弱. 不同结构的TiO₂中Ti–O键长不同,导致替代的磁性Fe离子与空穴的作用强度发生改变, 进而使其磁性发生变化. 关键词： 稀磁半导体 结构相变 铁磁性     

Optical and morphological properties of N-doped TiO2 thin films

Nitrogen doped titanium dioxide (TiO₂) thin films were deposited by RF magnetron sputtering onto various substrates. The films were prepared in plasma of argon, oxygen, and nitrogen, with varying the nitrogen content, from 0% up to 70%. The resulting TiOx–Ny films were found to consist of cubic TiN osbornite and tetragonal TiO₂ rutile phases. Using optical spectroscopy with large spectral range from 350 to 1000 nm, the band gap width was determined and a narrowing of the optical gap from 2.76 to 2.32 eV was observed as a function of the N-content. It was found that the optical properties of the TiOx–Ny layers are influenced by the surface morphology, roughness, surface energy and phase content. The chemical composition, the crystalline structure, the surface morphology and the surface energy were thoroughly studied by the Rutherford backscattering spectrometry (RBS), grazing-angle XRD, atomic force microscopy (AFM) and contact angle measurements (wettability), respectively.     

溶胶凝胶合成锰掺杂ZnO的室温磁性行为

通过溶胶凝胶自燃法合成锰掺杂氧化锌纳米晶体, 研究了Mn掺杂ZnO稀磁半导体(简称DMS)的性质．X射线衍射光谱表明,锰掺杂氧化锌保留纤锌矿型状氧化锌六角晶体结构．采用能量色散X射线能谱和扫描电子显微镜分别对成分和形态进行研究．温度依赖的电阻率显示了DMS的半导体材料行为．振动样品磁强计测定的室温磁性行为,揭示了锰掺杂氧化锌的铁磁性和反磁性特性.