过渡金属掺杂LiZnN基稀磁半导体铁磁稳定性研究

来源 :大连交通大学 | 被引量 : 0次 | 上传用户:leo19820725
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近年来,稀磁半导体因其在自旋电子器件领域中的广泛应用而受到关注。新型稀磁半导体突破了传统稀磁半导体自旋和电荷“捆绑”效应的束缚,为稀磁半导体的研究提供了新的思路。本论文在第一性原理基础上,系统分析了过渡金属元素种类、载流子类型、掺杂浓度、掺杂位置等对LiZnN基新型稀磁半导体电子结构和磁性的影响,并研究了 Li(Zn,TM)N新型稀磁半导体的铁磁性起源。本论文主要工作内容及结果总结如下:(1)分别研究了不同过渡金属(TM=V、Cr、Mn、Fe、Co、Ni)掺杂LiZnN体系和TM/Li共掺杂LiZnN体系的电子结构和磁性。结果表明,对于TM掺杂LiZnN体系,V、Co、Ni掺杂LiZnN体系显示铁磁性稳定,而Cr、Mn、Fe掺杂LiZnN体系则表现为反铁磁性稳定。Li间隙原子的引入改变了 TM掺杂LiZnN体系的磁性。在TM/Li共掺杂LiZnN体系中,Cr/Li、Fe/Li、Co/Li共掺杂LiZnN体系为反铁磁性稳定,而V/Li、Mn/Li、Ni/Li共掺杂LiZnN体系的铁磁态为稳定基态。TM原子与N原子杂化耦合作用导致TM掺杂LiZnN体系和TM/Li共掺杂LiZnN体系产生铁磁性。TM/Li共掺杂LiZnN体系的稳定性高于TM掺杂LiZnN体系。(2)不同类型载流子调控Li(Zn,Mn)N体系的研究结果表明,Al3+、La3+、Ca2+、Sr2+、Ba2+、Li+、Na+、K+的引入更易取代体系中的Zn2+离子。引入三价阳离子(A13+、La3+)形成n型半导体材料,(Li,La)(Zn,Mn)N和Li(Zn,Mn,A1)N体系为反铁磁态稳定;相反,(Li,Al)(Zn,Mn)N和Li(Zn,Mn,La)N体系的稳定基态为铁磁态。对于二价阳离子Ca2+、Sr2+、Ba2+掺杂Li(Zn,Mn)N体系均为反铁磁结构,掺杂离子Ca2+替换Zn2+离子提高了 Li(Zn,Mn)N体系的结构稳定性。Li缺陷的引入增加了 Li(Zn,Mn)N体系的稳定性。对于n型半导体材料,Na间隙引入后Li(Zn,Mn)N体系表现为反铁磁性稳定,K间隙引入后Li(Zn,Mn)N体系为铁磁性稳定;对于p型半导体材料,Li(Zn,Mn,Na)N具有铁磁稳定结构,Li(Zn,Mn,K)N为反铁磁性稳定。(3)Li、Mn浓度的变化导致Li(Zn,Mn)N体系的电子结构和磁性发生改变。Li(Zn,Mn)N体系的结构稳定性随着Li、Mn浓度的升高而逐渐增强。体系中仅存在Mn掺杂时,不同Mn掺杂浓度下Li16(Zn16-xMnx)N16(x=1-8)体系均表现为反铁磁性稳定。当Li 间隙缺陷和 Mn 掺杂浓度分别为 6.25 at.%和 12.50 at.%时,Li17(Zn16-xMnx)N16(x=1-8)体系的稳定性从反铁磁性转变为铁磁性。(4)分别对Mn掺杂LiZnN体系和Mn/Li共掺杂LiZnN体系的电子结构和磁性进行了系统研究,分析对比了六种不同Mn-Mn原子对的掺杂位置组态。结果表明,Mn掺杂LiZnN体系和Mn/Li共掺杂LiZnN体系磁性不同,Mn掺杂LiZnN体系为反铁磁性稳定。由于Li间隙原子的加入,导致Mn/Li共掺杂LiZnN体系由反铁磁性稳定转变为铁磁性稳定。在Li(Zn,Mn)N体系中,中间媒介N原子与相邻两个Mn原子之间形成Mn-N-Mn链,电子相互转移,Mn-Mn原子对之间铁磁耦合作用导致Li(Zn,Mn)N体系产生铁磁性。
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