Fe掺杂SiC纳米管的电子结构和磁性.PDF

中国科学: 物理学 力学 天文学 2010 年 第40 卷 第4 期: 425 ~ 432 SCIENTIA SINICA Phys, Mech Astron SCIENCE CHINA PRESS 论 文 Fe掺杂SiC纳米管的电子结构和磁性 ①②③ ③ ④* ⑤ ③ 张威虎 , 张富春 , 张志勇 , 吕淑媛 , 杨延宁 ① 中国科学院西安光学精密机械研究所, 西安 710068; ② 中国科学院研究生院, 北京 100039; ③ 延安大学物理与电子信息学院, 延安 716000; ④ 西北大学信息科学与技术学院, 西安 710127; ⑤ 西安邮电学院电信系, 西安 710061 *联系人, E-mail: zhangzy@, zhangfuchun72@163.com 收稿日期: 2009-12-01; 接受日期: 2010-02-05 国家自然科学基金(批准号:、陕西省教育厅科研基金(编号: 08Jk487)、延安市专项科研基金(编号: 2008Kg-08, 2008Ks-29)和 延安大学重点扶持学科资助项目 摘要 采用基于密度泛函理论框架下的第一性原理方法, 在局域自旋密度近似下, 系统研究了Fe 掺杂 SiC 纳米管电子结构和磁性. 计算结果显示用Fe 替代C 时SiC 纳米管显示反铁磁性, 而Fe 替代Si 却出现铁磁性 特征, 是一种半金属磁性材料. 形成能计算结果显示铁磁性结构比反铁磁性结构低3.2 eV, Fe 原子更容易替代 Si 原子, 两种掺杂的基态都诱发了自旋极化现象. 同时, 掺杂的Fe 原子都向管外发生了一定的弛豫, Fe 替代C 掺杂发生了较大的几何畸变, 但掺杂并未破坏 SiC 纳米管整体几何结构. 能带结构和态密度计算显示在费米 能级附近出现了更多弥散的能级分布, 特别是Fe 替代Si 出现了明显的自旋劈裂现象, 发生了强烈的p-d 杂化 效应, 自旋电子态密度的计算结果揭示磁矩主要来源于Fe 原子未成对 3d 电子的贡献. 这些结果表明过渡金 属掺杂SiC 纳米管也许是一种很有前途的磁性材料. 关键词 碳化硅, 纳米管, 第一性原理, 掺杂, 磁学性质 PACS: 75.75.+a, 71.15.Mb, 73.22.f, 71.70.Ei 自从 1991 年 C 纳米管发现以来[1], 理论和实验 出现了明显的自旋极化现象; Hiura 等人[8]研究了过 研究均证实了碳纳米管具有奇特而丰富的性能. C 纳 渡金属掺杂 Si 笼団簇的电学、磁学和光学性能; Singh 米管所具有的纳米尺度管状结构特征和优异的物理、 等人[9]探讨了过渡金属掺杂 Si 纳米管的几何结构、电 化学、光学和磁学特性, 使其在凝聚态物理和纳米材 子结构和磁学性能, 他们都发现过渡金属可以稳定 料领域具有广阔的应用前景[2~4]. 近年来科学家在研究 的掺杂于这些纳米结构材料中, 同时, 可以通过改变 与C [5] 过渡金属原子种类达到调整材料的电子结构和磁学 60 相关的聚合物时发现了奇特的室温铁磁现象 , 这一发现激起了人们对基于 C 材料为基材的纳米管 属性的目的. 但是这类单元素 C 和 Si 纳米管的电子 磁学性能的研究. Zhang 等人[6] [7] 属性强烈依赖于它们的手性特征, 而且在生长过程 和Dag 等人 研究了过 渡金属原子与单壁 C 纳米管之间的相互作用, 结果 中精确控制其手性和直径也是非常困难的. 近年来, 发现在电子结构和磁学属性方面发生了极大的变化