ZnO和ZnS基半金属铁磁体的第一性原理研究-凝聚态物理专业论文.docxVIP

华 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 I I 摘 要 本文利用基于密度泛函理论（DFT）的全势线性缀加平面波（FPLAPW）方法对 本征非磁性元素碳掺杂的闪锌矿结构的氧化锌和钛掺杂的硫化锌的电子结构和磁性 质进行了研究。 我们发现碳掺杂闪锌矿结构的氧化锌具有半金属铁磁性，当碳在其中的掺杂比 例为6.25%时，体系的总磁矩是2.00μB，其磁矩主要来源于掺杂的碳原子上，与碳原 子最近邻的锌原子和次近邻的氧原子也有一定的贡献。此外，我们还发现碳掺杂的 闪锌矿结构的氧化锌是一种p型铁磁半导体材料。通过对碳掺杂闪锌矿结构的氧化锌 的铁磁稳定性的研究，我们发现，当碳原子之间的距离较近时碳原子之间易于形成 顺磁团簇，不利于铁磁性的形成，而当碳原子之间的掺杂距离适宜时，可以得到半 金属铁磁体，因此在实验上制备该材料时应采取一些措施避免碳原子的团簇现象， 最后对其铁磁性的形成机制进行了分析。 其次，我们也对钛掺杂的硫化锌的电子结构和磁性质进行了研究，通过理论计 算我们发现，对于钛掺杂的硫化锌体系具有明显的铁磁性。当钛在硫化锌中的掺杂 比例为6.25%时，体系的总磁矩是2.00μB，其磁矩主要来自于掺入的钛原子的磁矩。 通过对钛掺杂硫化锌的铁磁稳定性的研究我们发现，体系倾向于形成稳定的铁磁性 基态，其铁磁相互作用可以用自由离子调制的双交换作用来解释。 由于锌、氧、硫、碳以及钛均是无磁性的元素，而且它们之间所形成的二元化 合物也都不具有磁性，所以对于碳掺杂的闪锌矿结构的氧化锌以及钛掺杂的硫化锌 的磁性均是材料的本征性，不存在磁性杂质相的问题，因此它们将在自旋电子学器 件方面具有潜在的应用前景。 关键词：全势线性缀加平面波方法 半金属铁磁体 稀磁半导体 态密度 Abstract In this thesis, the electronic structures and magnetism of the intrinsic non-magnetic elements carbon-doped zinc-blende zinc oxide and titanium-doped zinc sulfide are investigated using the full-potential linearized augmented plane wave (FP-LAPW) based on the density functional theory (DFT). We find that C-doped zinc-blende ZnO is a half-metallic ferromagnetic semiconductor. When the content of carbon in the zinc-blende ZnO is 6.25at%, the total magnetic moment is 2.00μB for the ZnO1-xCx (x=0.0625), which mainly originates from the carbon atom and a few contributions from the nearest neighboring Zn atoms and next-nearest neighboring O atoms. Furthermore, it indicates C-doped zinc-blende ZnO can induce ZnO to p-type ferromagnetic semiconductors. After investigating the ferromagnetic stability of C-doped zinc-blende ZnO, we find that when the distance between the carbon atoms is adjacent the carbon atoms are prone to form paramagnetic clusters, which is unfavorable to the formation of ferromagnetism, when the distance between the carbon atoms is appropriate, the half-metallic ferromagnet can be achieved. Therefore, we should take some measures to avoid the carbon clusters in the experiment. Finally, the ferromagnetic mechanism is ana